Эффект комбинированного процесса A2O-MBBR + построенных водно-болотных угодий для очистки сельских бытовых сточных вод

Эффект комбинированной технологии A2O-MBBR + CWs для очистки сельских бытовых сточных вод

В последние годы государство активно продвигает стратегию развития возрождения сельской местности, уделяя особое внимание улучшению условий жизни и предъявляя более высокие требования к очистке бытовых сточных вод в сельской местности. В настоящее время к основным процессам очистки бытовых сточных вод в сельской местности относятся биологические методы, экологические методы и комбинированные процессы, большая часть которых происходит при очистке городских сточных вод. Однако сельские районы характеризуются разбросанностью населения, что приводит к многочисленным проблемам, таким как высокий уровень рассеивания сточных вод, трудности со сбором, небольшие масштабы очистки, низкие коэффициенты использования ресурсов и недостаточное количество очистных сооружений. Кроме того, существуют значительные различия в качестве и количестве сточных вод, географическом положении, климате и экономическом уровне между регионами, что затрудняет стандартизацию технологий очистки; простое внедрение технологий очистки городских сточных вод невозможно. Инфраструктура для сбора сточных вод, такая как канализационные сети, в сельской местности зачастую неадекватна. На сбор сточных вод легко влияют комбинированные канализационные переливы и инфильтрация грунтовых вод, что приводит к низкой концентрации органических веществ в сточных водах и увеличению трудностей биологического удаления азота. Большие колебания качества и количества сточных вод в сельской местности затрудняют поддержание стабильной концентрации биомассы на очистных сооружениях. Более того, низкие зимние температуры ограничивают возможности биологической очистки, что приводит к низкой эффективности и нестабильному качеству сточных вод, склонному к превышению стандартов в традиционных процессах с активным илом. Поэтому существует острая необходимость в разработке технологий очистки сточных вод, подходящих для местных условий, обладающих высокой устойчивостью к ударным нагрузкам, стабильной длительной-работой, низким энергопотреблением и высокой эффективностью очистки.

Сельские районы Китая, как правило, предпочитают недорогие, -простые в--управлении технологии очистки бытовых сточных вод, при этом основным направлением исследований являются комбинированные биологические и экологические процессы. В настоящее время широко используемое интегрированное комплексное оборудование для очистки сточных вод в сельской местности в основном использует такие процессы, как анаэробный -бескислородный-кислородный (A2O) и биопленочный реактор с подвижным слоем (MBBR). Исследования показывают, что процесс МББР больше зависит от проектирования объекта, чем от точного оперативного контроля, не требуя для регулирования профессионального технического персонала, что делает его удобным для эксплуатации и обслуживания. Это больше подходит для практических нужд очистки бытовых сточных вод в сельской местности, где не хватает технического персонала. Его преимуществами являются высокая концентрация биомассы, высокая устойчивость к ударным нагрузкам, высокая эффективность очистки и небольшая занимаемая площадь. Исследования Луо Цзявэня и др. указывает на то, что добавление среды MBBR в процесс A2O может значительно улучшить производительность очистки сточных вод. Чжоу Чжэнбин и др. в реальном проекте по очистке бытовых сточных вод в сельской местности разработали двухэтапный комбинированный процесс -анаэробной/бескислородной-биологической аэрированной фильтрации, обеспечивающий стабильное качество сточных вод, соответствующее стандарту класса А GB 18918-2002 "Стандарт сброса загрязняющих веществ для муниципальных очистных сооружений". Кроме того, искусственные водно-болотные угодья (CW) часто используются для очистки бытовых сточных вод в сельских районах. Например, Чжан Ян и др. использовали биоуголь в качестве наполнителя для модификации построенного водно-болотного угодья, обнаружили, что степень удаления TN, TP и COD может достигать 99,41%, 91,40% и 85,09% соответственно. Предыдущие исследования нашей группы также показали, что наполнитель из биоугля из осадка может улучшить эффективность удаления азота и фосфора из построенных водно-болотных угодий, повышая общую эффективность и результативность очистки системы, а также делая систему более устойчивой к ударным нагрузкам. Основываясь на приведенном выше исследовании, чтобы изучить комбинированную технологию, подходящую для очистки бытовых сточных вод в сельской местности, и решить такие проблемы, как сложность поддержания стабильной концентрации биомассы, слабая устойчивость к ударным нагрузкам и склонность к колебаниям качества сточных вод и превышение стандартов на сельских очистных сооружениях, автор поставил процесс A2O-MBBR на первый план, заполнив его взвешенными носителями биопленки, чтобы создать интегрированную среду с фиксированным-пленочным активированным илом (IFAS), увеличивая количество осадка в системе. концентрации и повышения эффективности лечения. Учитывая экологическое использование имеющихся пустующих земель, таких как пруды и впадины в сельской местности, и объединение построенных водно-болотных угодий в качестве процесса очистки, для повышения эксплуатационной стабильности составных водно-болотных угодий были использованы такие методы, как использование наполнителя из осадка биоугля, рециркуляция нитрифицированной жидкости и посадка подводных растений. Таким образом, был построен совмещенный процесс A2O-MBBR + CWs.

В этом исследовании, используя неочищенные сточные воды с деревенских очистных сооружений в Хэфэе в качестве объекта очистки, была построена пилотная-экспериментальная установка комбинированного процесса A2O-MBBR + CWs. Исследовано влияние сезонных изменений температуры воды на эффективность ее очистки. Показатели содержания загрязняющих веществ в приходящих и сточных водах контролировались во время работы для изучения эффективности удаления и эксплуатационной стабильности. Одновременно была проанализирована экономическая целесообразность процесса. Цель состоит в том, чтобы предоставить справочные данные и основу для применения комбинированной технологии A2O +, построенной на водно-болотных угодьях, в проектах очистки бытовых сточных вод в сельских районах Китая, а также предложить рекомендации для продвижения очистки бытовых сточных вод и строительства красивых, экологически пригодных для жизни деревень в сельской местности.

1. Экспериментальная установка и методы исследования.

1.1 Комбинированная последовательность операций

В комбинированном технологическом эксперименте A2O-MBBR + CWs использовалась последовательная эксплуатация установки A2O, заболоченного участка с подземным потоком на основе углерода- и экологического пруда. Установка A2O состояла из анаэробного -бескислородного контактного резервуара с перегородками и аэробного мембранного резервуара (MBBR). Как анаэробный резервуар с перегородками, так и зона аэрации аэробного резервуара MBBR были заполнены суспендированной средой-носителем биопленки, чтобы обеспечить поверхности прикрепления микроорганизмов для образования биопленок. Активный ил и биопленка в резервуарах сосуществовали, образуя систему IFAS, которая могла стабильно поддерживать биомассу системы. Бескислородный резервуар с перегородками улучшил процесс денитрификации за счет рециркуляции нитрифицированной жидкости. Аэробный резервуар MBBR имел систему аэрации внизу для повышения эффективности нитрификации. Дозирующий порт полиалюминийхлорида (PAC) был установлен внутри резервуара для дополнительного химического удаления фосфора, что обеспечивает эффективное удаление фосфора. Блок CW включал в себя водно-болотные угодья с подземным стоком на основе углерода и затопленный экологический пруд с растениями. В водно-болотных угодьях с подземным потоком на основе углерода- используется трехступенчатая система фильтрации с наполнителем. В нижней части зоны заполнения были установлены аэрационные диски для обратной промывки среды с целью уменьшения засорения. Экологический пруд с погруженными растениями имел на дне слой известнякового субстрата и был засажен холодоустойчивыми погруженными растениями Vallisneria natans и Potamogeton Crispus. Установка была размещена на открытом воздухе. В экологическом пруду установлен термометр для наблюдения за сезонными изменениями температуры воды. Подробная последовательность операций комбинированного процесса A2O-MBBR + CWs показана на рисунке.Рисунок 1.

1.2 Конструкция установки и рабочие параметры

Экспериментальная установка была изготовлена ​​из полипропиленовых пластин толщиной 10 мм. Анаэробный резервуар с перегородками был заполнен квадратной средой-носителем биопленки и содержал перегородки. Коэффициент рециркуляции смешанного щелока для бескислородного резервуара с перегородками составлял 50–150%, и он также содержал перегородки. Аэробный резервуар МББР был разделен перегородкой на зону аэробной аэрации и зону отстаивания. Зона аэрации была заполнена суспендированным носителем MBBR с соотношением воздуха-к-воды 6:1~10:1. Зона осаждения имела порт дозирования PAC и наклонные пластины для облегчения осаждения. Заболоченное место с подземным потоком на основе углерода-: зона первичного наполнителя была заполнена известняком (диаметр ~5 см), зона вторичного наполнителя — цеолитом (диаметр ~3 см), а зона третичного наполнителя — наполнителем из ила и биоугля (диаметр ~0,5–1,0 см). Высота заполнителя для каждой зоны составляла 75 см. Между первичной и вторичной зонами наполнителя была установлена ​​зона зазора шириной около 4 см для таких функций, как добавление внешних источников углерода, наблюдение и обслуживание/опорожнение (во время этого эксперимента источник углерода не добавлялся). Экологический пруд для подводных растений был заполнен известняковым наполнителем (диаметр ~3 см) на высоту 20 см. Погруженные растения высаживали с междурядьями 10 см и между растениями 10 см. В качестве притока в эксперименте использовались неочищенные сточные воды деревенской станции очистки сточных вод в Хэфэе. Экспериментальный период длился с 25 мая 2022 года по 17 января 2023 года и составил 239 дней. Погруженные растения собирали один раз 2 декабря с периодичностью примерно раз в 6 месяцев. Проектная мощность очистки сточных вод составляла 50~210 л/сут. Подробные расчетные параметры установки приведены на рис.Таблица 1.

1.3 Экспериментальные методы

1.3.1 Экспериментальный дизайн

1.3.1.1 Испытание оптимальной мощности очистки сточных вод

После успешной опытной эксплуатации экспериментальной установки (стабильное качество сточных вод) с 25 мая 2022 г. по 30 июня 2022 г. было проведено испытание оптимальной мощности очистки сточных вод. В условиях поддержания в аэробном резервуаре соотношения воздуха-к-воды 6:1, коэффициента рециркуляции нитрифицированной жидкости 100 % и использования ПАУ (содержание Al2O3 28 %) около 3,7. г/сут, постепенно увеличивалась производительность установки по очистке сточных вод (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 л/сут). Изменения качества сточных вод отслеживались для определения оптимальной мощности установки по очистке сточных вод. В этот период температура воды колебалась в пределах 24,5–27,1 градусов. Чтобы обеспечить стабильное соблюдение требований по очистке сточных вод в зимний период, был принят стандарт класса А GB 18918-2002 «Стандарт сброса загрязняющих веществ для муниципальных очистных сооружений».

1.3.1.2 Испытание общей эффективности обработки комбинированного процесса

Период испытаний длился с 1 июля 2022 года по 17 января 2023 года. Оптимальная производительность очистки сточных вод была установлена ​​на уровне 120 л/сут. Соотношение воздуха-к-воде в аэробном резервуаре составляло 6:1–10:1, а коэффициент рециркуляции смешанной жидкости составлял 50–150 %. Показатели качества приточных и сточных вод (ТН, ТП, НО₃^--Н, Нью-Хэмпшир₄⁺-N и COD) от каждой технологической установки контролировались. Были зафиксированы изменения температуры воды в течение периода испытаний (под влиянием сезонного климата). Была проанализирована эффективность очистки сельских бытовых сточных вод с помощью комбинированного процесса A2O-MBBR + CWs, а также исследовано влияние сезонных изменений температуры воды на производительность комбинированного процесса.

1.3.2 Отбор проб

В течение периода испытаний пробы отбирались нерегулярно (примерно 1–2 раза в неделю) для проверки качества воды. Пробы были взяты из сточных вод установки, сточных вод анаэробного-бескислородного резервуара с перегородками, сточных вод аэробного резервуара MBBR, сточных вод с водно-болотных угодий на основе углерода- и сточных вод экологических прудов с подводными растениями. Пробы сточных вод были взяты из впускной трубы установки, а пробы сточных вод - из выпускного отверстия каждой установки. Тестирование показателей качества воды было завершено в тот же день отбора проб. Тестируемые индикаторы включали TN, TP, NO.₃^--Н, Нью-Хэмпшир₄⁺-Н и наложенным платежом. Каждый раз при отборе проб регистрировались показания температуры воды термометра в экологическом пруду (в пределах 0–32 градусов). Температура воды в экологическом пруду естественным образом менялась в зависимости от сезонных перепадов температур. Разработанный норматив на сбросы для экспериментальной установки соответствовал стандарту класса А ДБ 34/3527-2019 «Нормат сброса загрязняющих веществ в воду для сельских очистных сооружений бытовых сточных вод». Расчетные концентрации сточных вод и стандарты сточных вод подробно описаны вТаблица 2.

1.3.3 Методы анализа качества воды

Концентрацию TN в пробах воды определяли с использованием HJ 636-2012 «Качество воды - Определение общего азота – щелочное разложение персульфата калия УФ-спектрофотометрическим методом». НЕТ₃^--Концентрация N определялась с использованием HJ/T 346-2007 «Качество воды - Определение нитратного азота – ультрафиолетовая спектрофотометрия (испытание)». Нью-Хэмпшир₄⁺-Концентрация N определялась с использованием HJ 535-2009 "Качество воды - Определение аммиачного азота - Спектрофотометрия с реагентом Несслера". ХПК определяли с использованием HJ 828-2017 «Качество воды - Определение химической потребности в кислороде - Дихроматный метод». Концентрацию ТФ определяли с использованием ГБ 11893-1989 «Качество воды. Определение общего фосфора. Молибдат-аммоний спектрофотометрический метод».

2. Результаты и обсуждение.

2.1 Влияние мощности очистки сточных вод на производительность комбинированного процесса

Как показано вРисунок 2 (а) (б)Поскольку ежедневная производительность очистки сточных вод постепенно увеличивалась с 50 л/день до 210 л/день, эффективность удаления TN и NH₄⁺-N по каждой единице объединенного процесса имело тенденцию к снижению. Скорость удаления TN снизилась с 91,55% (50 л/сут) до 52,17% (210 л/сут), а NH₄⁺-Степень удаления азота снизилась с 97,47 % (70 л/сут) до 80,68 % (210 л/сут). Это связано с тем, что увеличение производительности ежедневной очистки сточных вод сокращает время гидравлического удержания, сокращая время, необходимое микроорганизмам для разложения загрязняющих веществ, что приводит к ухудшению эффективности очистки. Среди них подразделение A2O внесло наибольший вклад в TN и NH.₄⁺-Удаление N. Средняя концентрация TN в притоке для этой установки составила 38,68 мг/л, в сточных водах - 16,87 мг/л, при степени удаления 56,29%. Средний приток NH₄⁺-Концентрация N составила 36,29 мг/л, в сточных водах – 5,50 мг/л, степень удаления 84,85 %. Для водно-болотных угодий с подземным потоком, основанным на углероде, средняя концентрация TN в притоке составляла 16,87 мг/л, в сточных водах - 11,96 мг/л, при этом степень удаления составляла 29,10%. Для подводного экологического пруда с растениями средняя концентрация TN в притоке составила 11,96 мг/л, в стоках - 9,47 мг/л, при степени удаления 20,82%. Эффективность удаления азота на водно-болотных угодьях с подземным потоком на основе углерода-была лучше, чем в экологическом пруду, поскольку анаэробная-бескислородная среда водно-болотных угодий с подземным потоком больше подходит для денитрификации. Тем не менее, НХ₄⁺-Эффективность удаления N из экологического пруда была лучше, чем из водно-болотного угодья с подземным потоком. Средний приток NH₄⁺-Концентрация азота для водно-болотных угодий с подземным потоком-на основе углерода составляла 5,50 мг/л, в сточных водах — 4,04 мг/л, при этом степень удаления составляла всего 26,53 %. Для экологического пруда средний приток NH₄⁺-Концентрация N составила 4,04 мг/л, в сточных водах — 2,38 мг/л, степень удаления — 41,07 %. Это связано с тем, что аэробная среда экологического пруда более подходит для нитрификации, преобразуя больше NH.₄⁺-Н в НЕТ₃^--N, что приводит к более высокому NH₄⁺-Скорость удаления N. Когда производительность очистки сточных вод достигла 150 л/сут, концентрация TN в сточных водах составила 15,11 мг/л, что превысило стандарт класса А GB 18918-2002. Поэтому для обеспечения стабильного соблюдения TN максимальная производительность очистки сточных вод составляла 120 л/сут. Когда мощность очистки сточных вод достигла 210 л/сут, сточные воды NH₄⁺-Концентрация N составила 7,07 мг/л, что превышает стандарт класса А GB 18918-2002. Таким образом, максимальная мощность очистки сточных вод для NH₄⁺-Соответствие N составило 180 л/сут.

Как показано вРисунок 2 (в), среднее значение ХПК входящего потока было ниже 100 мг/л, что указывает на низкое содержание органических веществ. Увеличение мощности очистки сточных вод не оказало существенного влияния на удаление ХПК: уровень удаления ХПК составляет 75–90%. Поскольку производительность очистки сточных вод увеличилась с 50 л/день до 210 л/день, средний ХПК в сточных водах составил 19,16 мг/л, при этом максимальный ХПК в сточных водах составил 26,07 мг/л, что все еще намного ниже стандарта 50 мг/л, установленного GB 18918-2002, класс A. Установка A2O внесла наибольший вклад в удаление ХПК, поскольку устройство аэрации в аэробной установке В резервуаре МББР создается аэробная среда, повышающая биохимическую способность аэробных микроорганизмов и усиливающая удаление ХПК. Кроме того, рециркуляция нитрифицированной жидкости в установке A2O позволила бескислородному резервуару с перегородками дополнительно использовать органические вещества в сточных водах в качестве источника углерода, удаляя часть ХПК и одновременно улучшая денитрификацию. Водно-болотные угодья, основанные на углеродном-подземном потоке, внесли второй вклад в удаление ХПК. Его анаэробно-бескислородная среда способствует использованию органических веществ в сточных водах в качестве источника углерода, разлагая часть органических веществ и одновременно усиливая денитрификацию, что также является причиной лучшего удаления TN. Кроме того, слой субстрата водно-болотных угодий подземного потока может адсорбировать некоторое количество органических веществ. Экологический пруд оказал ограниченное влияние на деградацию ХПК. Средний уровень ХПК, поступающий в экологический пруд, составлял 22,21 мг/л, и наиболее легко биоразлагаемые органические вещества уже разложились, в результате чего остались органические вещества, разложение которых труднее.

Как показано вРисунок 2 (г)По мере увеличения мощности очистки сточных вод концентрация TP в сточных водах оставалась стабильной. Увеличение мощностей по очистке сточных вод существенно не повлияло на удаление ТП. Средняя концентрация TP в притоке составляла 3,7 мг/л, а средняя концентрация в сточных водах составляла 0,18 мг/л, при этом средняя скорость удаления составляла 95,14%, что указывает на хорошее удаление TP. ТП в основном удалили в блоке А2О. Концентрация TP на входе для установки A2O составляла 3,7 мг/л, а в сточных водах - всего 0,29 мг/л, что выше стандарта 0,5 мг/л стандарта GB 18918-2002, класс A. Это связано с тем, что установка A2O не только обеспечивала биологическое удаление фосфора организмами, накапливающими фосфор (PAO), но также дополнялась химическим удалением фосфора путем дозирования. 3,7 г/день ПАК. В результате сочетания биологического и химического удаления фосфора в установке А2О было удалено более 90% фосфора. Водно-болотные угодья с подземным потоком и экологический пруд в основном зависели от таких механизмов, как адсорбция субстрата, седиментация, поглощение растениями и микробная деградация для удаления фосфора. Более того, концентрация TP, попадающая на водно-болотные угодья, уже составляла всего 0,29 мг/л, что затрудняло дальнейшее удаление. Эти совокупные причины привели к общей эффективности удаления ТП на водно-болотных угодьях и в экологическом пруду.

Поэтому для обеспечения стабильного соответствия всех показателей сточных вод стандарту GB 18918-2002 Grade A оптимальная производительность очистки сточных вод для данного процесса была определена на уровне 120 л/сут.

2.2 Эффективность удаления загрязняющих веществ в комбинированном процессе

2.2.1 Эффективность удаления наложенного платежа

Как показано вРисунок 3В течение всего периода испытаний эффективности очистки (с 1 июля 2022 г. по 17 января 2023 г., производительность очистки сточных вод 120 л/сут) температура воды имела колеблющуюся тенденцию к снижению, снижаясь с 32 градусов до 0 градусов. Скорость удаления ХПК колебалась, и снижение температуры воды не оказало очевидного влияния на удаление ХПК. В сочетании сРисунок 4Скорость удаления ХПК варьировалась от 66,16% до 82,51%, что в первую очередь зависит от концентрации поступающей ХПК. Исследования показывают, что в анаэробных/бескислородных условиях удаление ХПК в основном зависит от микробного воздействия. Процесс A2O-MBBR+CWs чередует анаэробные-бескислородные-кислородные-бескислородные-кислородные условия, улучшая удаление ХПК. Во время эксплуатации, когда температура воды снижалась, хотя ХПК входящих веществ колебался в пределах 80~136 мг/л, ХПК в сточных водах оставался стабильным ниже 50 мг/л, что соответствует стандарту класса А DB 34/3527-2019, что указывает на хорошее разложение органических веществ. Раздел A2O больше всего способствовал удалению наложенного платежа. Анаэробный -бескислородный контактный резервуар с перегородками имел средний уровень удаления ХПК 43,38 %, что составляет 65,43 % от общего удаления ХПК. Аэробный резервуар MBBR имел среднюю степень удаления 14,69%, что составляло 19,87% от общего количества. Секция A2O обеспечила более 85% удаления ХПК, благодаря большой удельной поверхности среды в анаэробном резервуаре с перегородками и аэробном резервуаре MBBR, высокой концентрации ила и формировании пищевой цепи из бактерий → простейших → многоклеточных животных, эффективно разлагающих органические вещества в воде. Высокое биоразнообразие системы IFAS обеспечило хорошее удаление органики даже при изменении температуры. Кроме того, часть растворимых органических веществ в сточных водах в анаэробно-бескислородном контактном резервуаре с перегородками будет использоваться в качестве источника углерода денитрифицирующими бактериями. Между тем, рециркулируемая смешанная жидкость увеличила NO.₃^--Концентрация N в бескислородном резервуаре с перегородками, способствующая использованию источников углерода путем денитрифицирующих бактерий для преобразования NO₃^--Н/НЕТ₂^--N в газообразный азот. Высокая скорость удаления ХПК в анаэробном -бескислородном контактном резервуаре с перегородками еще раз подтверждает, что этот процесс может эффективно использовать органические вещества в сточных водах в качестве источника углерода для денитрификации. Водно-болотные угодья с подземным потоком, основанные на углероде, имели средний уровень удаления ХПК 7,18 %, что составляет 9,18 % от общего удаления ХПК. Анаэробная/бескислородная среда водно-болотных угодий с подземным потоком благоприятствует микроорганизмам, использующим органические вещества в качестве источника углерода, обеспечивая удаление ХПК и одновременно усиливая денитрификацию. Сопутствующие исследования также показывают, что биоугольный наполнитель может адсорбировать органические вещества посредством электростатического притяжения и межмолекулярных водородных связей. Таким образом, биоугольный наполнитель осадка на заболоченных территориях с подземным потоком также будет адсорбировать некоторое количество органических веществ. В подводном экологическом пруду с растениями средний уровень удаления ХПК составлял всего 3,68%, поскольку ХПК, поступающий в пруд, уже был низким - в среднем 30,59 мг/л и в основном состоял из тугоплавких органических веществ, удаляемых в основном путем адсорбции и поглощения растениями, с ограниченным эффектом.

2.2.2 Эффективность удаления азота

Как показано вРисунок 3, поскольку температура воды постепенно снизилась с 32 градусов до 12 градусов, TN и NH₄⁺-Скорость удаления N колебалась. Средняя скорость удаления TN достигла 75,61%, а средняя скорость NH₄⁺-Степень удаления N достиг 95,70 %. Когда температура воды опускается ниже 12 градусов, TN и NH₄⁺-Степень удаления N продемонстрировала тенденцию к быстрому снижению, но средний уровень удаления по-прежнему достигал 58,56 % и 80,40 % соответственно. Это связано с тем, что сезонное снижение температуры воды подавляет микробную активность, ослабляя эффективность денитрификации. По статистическим результатам концентраций приходящих и сбросных загрязняющих веществ за период эксплуатации совмещенного технологического процесса (с 1 июля 2022 г. по 17 января 2023 г.), приведенным на рис.Таблица 3, средний приток TN и NH₄⁺-Концентрация N составила 36,56 мг/л и 32,47 мг/л соответственно. Нью-Хэмпшир₄⁺-N составлял 88,81 % от TN. Влияние НЕТ₃^--N (0,01 мг/л) был практически незначительным. Средний сток TN и NH₄⁺-Концентрация N составила 11,69 мг/л и 3,5 мг/л соответственно, что соответствует стандарту класса А DB 34/3527-2019. Средний сток NO₃^--Концентрация N составила 6,03 мг/л, что указывает на хорошую нитрификационную способность этого процесса, превращая NH₄⁺-Н - НЕТ₃^--Н. Однако накопление NO₃^--N в сточных водах предполагает, что еще есть место для дальнейшей денитрификации. Как показано вРисунок 5 (а), удаление TN было самым высоким в секции A2O. Анаэробный -бескислородный контактный резервуар с перегородками имел среднюю степень удаления TN 44,25 %, а аэробный резервуар MBBR имел средний уровень удаления TN 9,55 %. Это результат совместного действия нитрифицирующих бактерий в аэробной зоне и денитрифицирующих бактерий в бескислородной зоне. В построенном на основе углерода- водно-болотном угодье средний уровень удаления TN составил 11,07 %, поскольку его способность выделять источники углерода и анаэробная/бескислородная среда способствуют денитрификации, поддерживая определенную способность удаления азота. В погружённом экологическом пруду с растениями средний уровень удаления TN составил всего 3,54% при общих показателях удаления, поскольку его аэробная среда не способствует денитрификации. Как показано вРисунок 5 (б), Нью-Хэмпшир₄⁺-Удаление N в основном было завершено в разделе A2O. Анаэробный-бескислородный контактный резервуар с перегородками имел NH₄⁺-Степень удаления N составила 59,46 %, а аэробный резервуар MBBR имел NH₄⁺-Степень удаления N 24,24 %. На долю А2О пришлось 93,57% от общего объема NH.₄⁺-Удаление N. Высокий NH₄⁺-Удаление N в секции A2O происходит благодаря постоянной аэрации в аэробном резервуаре MBBR, что позволяет нитрифицирующим бактериям полностью использовать DO для преобразования NH.₄⁺-Н - НЕТ₃^--Н. Затем его рециркулируют в бескислородный резервуар, где денитрифицирующие бактерии преобразуют NO.₃^--N–N2 для удаления. В течение периода тестирования средний уровень удаления TN составил 68,40%, а средний показатель NH₄⁺-Степень удаления азота составил 89,45 %, что указывает на хорошую эффективность удаления азота.

Как показано вРисунок 3Поскольку температура воды снизилась с 32 градусов до 0 градусов, степень удаления TN снизилась с максимального 79,19% до 51,38%. В сочетании сРисунок 5 (а), when water temperature was >При температуре 20 градусов средняя скорость удаления TN превысила 75% при средней концентрации в сточных водах 8,41 мг/л, поскольку микробная активность выше в диапазоне 20–32 градусов, что приводит к лучшей денитрификации, что согласуется с исследованиями Чжан На и др. Когда температура воды снизилась с 20 градусов до 5 градусов, средняя скорость удаления TN снизилась до 65,44%, а средняя концентрация сточных вод увеличилась до 12,70 мг/л. Когда температура воды составляла 0–5 градусов, средняя скорость удаления TN снижалась до 52,75%, а средняя концентрация в сточных водах увеличивалась до 17,62 мг/л, что указывает на определенное влияние на удаление TN. Исследования показывают, что при понижении температуры воды микробная активность подавляется. Когда температура воды<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 градусов, эффективность удаления TN хорошая, уровень сточных вод стабильный ниже 15 мг/л. На этом этапе, учитывая удаление других загрязняющих веществ, мощность очистки сточных вод может быть соответствующим образом увеличена.

Как показано вРисунок 3, поскольку температура воды постепенно снижалась, NH₄⁺-Степень удаления N снизилась с максимального 99,52 % до минимального 74,77 %, а сточные воды NH₄⁺-Концентрация N увеличилась с минимума 0,17 мг/л до 8,40 мг/л. Снижение температуры воды подавляет активность нитрифицирующих и нитритифицирующих бактерий, снижая NH.₄⁺-N removal. However, when water temperature >12 градусов, средние стоки NH₄⁺-Концентрация N составила 1,58 мг/л. Когда температура воды меньше или равна 12 градусам, средний уровень сточных вод NH₄⁺-Концентрация N увеличилась до 6,58 мг/л, но в сточных водах NH₄⁺-N всегда соответствовал стандарту уровня A DB 34/3527-2019. Когда температура воды составляла 20–32 градуса, средний показатель NH₄⁺-Уровень удаления N превысил 96 %. В сочетании сРисунок 5 (б), сточные воды NH₄⁺-Концентрация N в этом диапазоне была ниже 2 мг/л, что указывает на высокую активность нитрифицирующих бактерий и отличный общий уровень NH.₄⁺-Удаление N. Когда температура воды постепенно снизилась с 20 до 12 градусов, средний показатель NH₄⁺-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12 степень подходит для роста нитрифицирующих бактерий, способствуя нитрификации. Следовательно, НХ₄⁺-N сохранял высокую скорость удаления в диапазоне 12–20 градусов. Когда температура воды постепенно снизилась с 12 градусов до 0 градусов, средний показатель NH₄⁺-Процент удаления N по-прежнему достигал 80 %. Существующие исследования показывают, что нитрифицирующие бактерии почти теряют нитрификационную способность при 0 градусах. Однако результаты этого исследования показывают, что даже при 0 градусах NH₄⁺-Степень удаления N превысила 75 %, что указывает на хорошие показатели нитрификации этого процесса при низких температурах. Это связано с тем, что система IFAS в разделе A2O-MBBR этого исследования имеет длительный возраст биопленки, примерно до 1 месяца, что делает скорость нитрификации в биохимическом резервуаре гораздо менее зависимой от температуры, чем традиционные процессы с активным илом, что значительно улучшает эффективность нитрификации при низких зимних температурах. Исследования Вэй Сяоханя и др. также указывает на то, что основная причина не-несоответствия NH₄⁺-Нотный сток в условиях низкой температуры воды представляет собой недостаточный возраст активного ила, при этом влияние температуры на активность нитрификатора является вторичным. Таким образом, хотя снижение температуры воды в некоторой степени влияло на активность нитрификаторов, достаточный возраст ила в этом процессе обеспечивал NH₄⁺-Удаление N при низких температурах. За период испытаний средний объем сточных вод NH₄⁺-Концентрация N составила 3,50 мг/л, а комбинированный процесс показал хорошие и стабильные показатели нитрификации.

2.2.3 Эффективность удаления фосфора

Как показано вРисунок 3Скорость удаления ТП мало менялась при изменении температуры воды, оставаясь стабильной на уровне выше 94%. В сочетании сРисунок 6, концентрация TP в притоке варьировалась от 3,03 до 4,14 мг/л, а концентрация TP в сточных водах варьировалась от 0,14 до 0,28 мг/л, что соответствует стандарту класса A DB 34/3527-2019. Этот процесс основан на комбинированном действии биологического удаления фосфора (ПАО) и химического удаления фосфора (ПАУ). При понижении температуры воды активность ПАО ингибируется, что влияет на биологическое удаление фосфора. Однако этот процесс дополняется химическим удалением фосфора путем дозирования 3,7 г/день ПАУ, поддерживая стабильную скорость удаления TP и уменьшая влияние изменений температуры воды на удаление фосфора в комбинированном процессе. Установка A2O показала лучшую производительность по удалению TP. Средняя концентрация ТР в сточных водах анаэробной-аноксической установки составляла 2,48 мг/л, при этом степень удаления составляла 32,61%. Средняя концентрация TP в стоках аэробной единицы составила 0,29 мг/л, при этом степень удаления составила 59,51%. Общий коэффициент удаления TP для установки A2O составил 92,12%. Неудачная конструкция секции A2O-MBBR позволяет в значительной степени удалять нитратный азот, переносимый в рециркулируемой смешанной жидкости, позволяя анаэробным ПАО более тщательно высвобождать фосфор в анаэробной секции и более полно поглощать фосфор в аэробной секции, улучшая биологическое удаление фосфора. Кроме того, химическое удаление фосфора путем дозирования на одной стороне аэробного резервуара MBBR обеспечивает стабильную скорость удаления TP, при этом качество сточных вод стабильно лучше, чем стандарт класса A DB 34/3527-2019. Биологическое удаление фосфора в секции А2О-МББР в основном происходит, когда ПАО в анаэробном резервуаре с перегородками используют источники углерода для преобразования части органического вещества и летучих жирных кислот в полигидроксиалканоаты (ПГА). Когда сточные воды перетекают из анаэробного резервуара с перегородками в аэробный резервуар MBBR, PAO затем используют PHA в качестве доноров электронов для завершения поглощения фосфора. Однако на эффективность биологического удаления фосфора легко влияет активность ПАО, а низкая температура воды ограничивает активность ПАО. Поэтому для достижения стабильного удаления фосфора в проект процесса было включено химическое удаление фосфора. Кроме того, некоторое количество фосфора поглощается слоем субстрата на водно-болотных угодьях с подземным потоком на основе углерода и ростом погруженных растений в экологическом пруду.

Таким образом, установка работала стабильно в течение всего периода испытаний, с хорошими общими показателями удаления загрязняющих веществ. Комбинированный процесс A2O-MBBR + CWs позволил достичь средней степени удаления 68,40%, 89,45%, 73,94% и 94,04% для TN, NH.₄⁺-N, COD и TP соответственно. Средние концентрации в сточных водах составляли 11,69 мг/л, 3,50 мг/л, 26,9 мг/л и 0,22 мг/л соответственно, что соответствует стандарту класса А DB 34/3527-2019. Исследования Wu Qiong et al. указывает на то, что A2O-MBBR представляет собой сложный процесс активного ила и биопленки, характеризующийся большим количеством микроорганизмов, длительным возрастом ила, высокой объемной загрузкой, небольшим объемом и занимаемой площадью, высокой устойчивостью к ударным нагрузкам, хорошим качеством сточных вод и стабильной работой. Более того, эффективность денитрификации биопленочных процессов зимой выше, чем у процессов с активным илом, что делает их более подходящими для очистки сточных вод с низкой-температурой зимой. Это также является основной причиной хорошей эффективности удаления загрязняющих веществ секцией A2O-MBBR в данном исследовании. Комбинированный процесс A2O-MBBR + CWs в этом исследовании добавляет зону полировки CW на основе процесса A2O-MBBR, что еще больше повышает общую производительность очистки и эксплуатационную стабильность процесса. Удаление TN и NH₄⁺-На N меньше влияли сезонные изменения температуры воды, а на удаление ХПК и ТР почти не влияла сезонная температура воды. В течение периода испытаний он продемонстрировал высокую устойчивость к ударным нагрузкам, что делает его пригодным для использования в сельской местности с большими колебаниями качества и количества бытовых сточных вод.

2.3 Экономический анализ комбинированного процесса

Затраты на этот комбинированный процесс в основном включают затраты на строительство и затраты на эксплуатацию очистки сточных вод. Затраты на строительство были связаны с созданием экспериментальной установки, включая приобретение корпусов резервуаров, вспомогательного электрооборудования, сред, погружных установок и трубопроводной арматуры, на общую сумму около 3000 юаней. Учитывая максимальную производительность очистки сточных вод во время эксперимента, составляющую 0,18 м³/сут, стоимость строительства за м³ очищенных сточных вод составит примерно 16 700 юаней. Эксплуатационные затраты в основном возникают из-за эксплуатации установки, включая потребление энергии оборудованием, затраты на химикаты, затраты на утилизацию осадка и затраты на рабочую силу. В состав электрооборудования входят: питательный насос (мощность 2 Вт, Q=2.8 м³/сут), рециркуляционный насос (мощность 2 Вт, Q=2.8 м³/сут), аэратор (мощность 5 Вт, скорость аэрации=5 л/мин), перистальтический насос-дозатор (мощность 2 Вт). Рассчитано на основе фактической максимальной потребляемой мощности: питательный насос 0,13 Вт, рециркуляционный насос 0,19 Вт, аэратор 1,25 Вт, насос-дозатор 2 Вт. Общая фактическая потребляемая мощность составляет 0,00357 кВт, суточное энергопотребление 0,086 кВтч. Расход электроэнергии на м³ очищенных сточных вод составляет 0,48 кВтч. При цене промышленной электроэнергии 0,7 юаня/кВтч стоимость электроэнергии составит 0,33 юаня/м³. Стоимость химикатов PAC составляет около 2,4 юаней/кг, расход – 3,7 г/день. Требуемый PAC на м³ сточных вод составляет 20,56 г, стоимость 0,05 юаня/м³. Стоимость удаления осадка=количество осадка × стоимость удаления осадка за единицу объема. Выход сухого ила на тонну воды составляет 0,09 кг. На основе муниципальной цены на транспортировку и утилизацию осадка очистных сооружений в размере 60 юаней/тонну, стоимость утилизации осадка на тонну воды=0.09 кг × 0,06 юаней/кг=0.054 юаней. Поскольку пилотная установка требовала только периодической проверки после эксплуатации, стоимость рабочей силы оценивалась на основе фактического инженерного опыта. Завод производительностью 10 000 тонн в день обслуживают 1-2 человека. Если предположить, что зарплата одного человека составляет 3000 юаней в месяц, то для двух человек показатель затрат на рабочую силу составит около 0,02 юаня/тонну воды. Подробности о стоимости указаны вТаблица 4. Таким образом, стоимость операционной обработки составляет примерно 0,46 юаней/м³. Однако по мере увеличения мощности очистки сточных вод затраты на строительство и эксплуатацию на тонну воды будут снижаться. Затраты на строительство и эксплуатацию во время пилотного испытания приведены только для справки.

3. Выводы

Комбинированный процесс A2O-MBBR + CWs показал хорошие результаты при очистке бытовых сточных вод в сельской местности. Изменение температуры воды практически не повлияло на удаление ТФ и ХПК. Средние темпы удаления для 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 градусов, качество сточных вод может соответствовать стандарту класса А GB 18918-2002 «Стандарт сброса загрязняющих веществ для муниципальных очистных сооружений». Этот процесс может эффективно использовать органические вещества внутри системы в качестве источника углерода для усиления денитрификации, поддерживая удаление более 50% TN даже при температуре воды до 0 градусов.

Оптимальная производительность очистки сточных вод для комбинированного процесса A2O-MBBR + CWs зимой составляла 120 л/сут, а в не-зимнее время года – 180 л/сут. Сезонные изменения температуры воды (постепенное снижение от 32 градусов до 0 градусов) оказали лишь определенное влияние на удаление азота комбинированным процессом. Скорость удаления TN снизилась с 79,19% до 51,38%, а NH₄⁺-Степень удаления N снизилась с 99,52 % до 74,77 %. Даже при температуре 0 градусов качество сточных вод стабильно соответствует стандарту класса А DB 34/3527-2019 и NH.₄⁺-Коэффициент удаления N по-прежнему достиг 74,77 %. Этому способствует система IFAS, где возраст осадка до 1 месяца обеспечивает нитрификацию при низких температурах. В течение всего периода испытаний процесс работал стабильно, демонстрируя сильную устойчивость к изменениям температуры воды.

В первоначальном процессе A2O-MBBR использовались два типа суспендированных носителей биопленки для прикрепления микробов, образующих систему IFAS. В водно-болотных угодьях с подземным потоком на основе углерода- использовались различные наполнители, включая ил, биоуголь, известняк и цеолит, что повышало эффективность фильтрации, обеспечивая при этом достаточную поверхность для прикрепления микроорганизмов, улучшая эффективность биологической очистки. Предварительный процесс A2O-MBBR с IFAS имеет высокую концентрацию биомассы. Композитный заболоченный участок заднего CW служит этапом доочистки и дальнейшей очистки сточных вод, что делает всю систему более устойчивой к ударным нагрузкам.

Комбинированный процесс A2O-MBBR + CWs подходит для очистки бытовых сточных вод в сельской местности с большими колебаниями качества и количества. Он работает стабильно и эффективно, стоимость очистки составляет около 0,46 юаней/м³. Кроме того, технологические участки А2О-МББР+КС могут гибко настраиваться в соответствии с различными стандартами сбросов, сценариями и целями. Этот комбинированный процесс может предоставить справочные данные и основу для проектов по очистке бытовых сточных вод в сельской местности в Китае, предложить путь использования ресурсов для пустующих пустошей в сельских районах и имеет широкий рыночный потенциал применения в соответствии с национальной тенденцией (с особым упором на улучшение качества окружающей среды в сельской местности).