Förbättrad mikrobiell behandling av vitlöksavloppsvatten med MBBR + A/O-process
Översikt
Avloppsvatten för vitlökhärrör i första hand från skivnings- och sköljningsprocesser under vitlöksbearbetning. Den kännetecknas avhöga koncentrationer av organiskt material, sobetydliga halter av kväve och fosfor, och innehåller betydande mängder allicin. Allicin (diallyltiosulfinat) är en flyktig vätska som ansvarar för den skarpa lukten av vitlök och är kemiskt instabil och mycket reaktiv. Allicin kan hämma tillväxten av olika mikroorganismer. Utsläpp av hög-avloppsvatten från vitlök utan rening orsakar allvarliga miljöpåverkan. Vissa forskare har använt tekniker som membranfiltrering, Fenton-oxidation och mikro-elektrolys, men dessa metoder har inte varit effektiva för att behandla vitlöksavloppsvatten, och användningen av stora doser kemikalier ökar efterföljande behandlingskostnader. Många forskare har föreslagit biologiska behandlingsmetoder med anaeroba-aeroba kombinerade processer. Men på grund av allicins antibakteriella egenskaper är mikroorganismer svåra att odla, och behandlingseffektiviteten är inte idealisk. Därför är fokus för biologisk behandling attodla och acklimatisera mikrobiella stammar som kan anpassa sig till vitlöksavloppsvatten och förbättra deras biologiska nedbrytning.
Denna studie involverade odling och screeningbakteriestammar som är effektiva för att nedbryta vitlöksavloppsvatten, som sedan infördes i enMoving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Med hjälp av inokulerat slam och en metod för att-höja flödeshastigheten för biofilm bildades biofilmer för att förbättra avlägsnandet av kväve och fosfor från avloppsvattnet. Detta följdes av ytterligare A/O (Anoxic/Oxic) biokemisk behandling. Enligt GB18918-2002-standarden kan nivåerna av COD och ammoniakkväve (NH₃-N) uppfylla den sekundära standarden (COD: 100 mg/L, NH₃-N: 25-30 mg/L). Denna process minskar effektivt det organiska innehållet i avloppsvattnet, vilket minskar svårigheten för efterföljande behandlingssteg.
1. Experimentell sektion
1.1 Processflödesdesign
Det övergripande processflödet för rening av vitlöksavloppsvatten visas iBild 1, där kärnkomponenten ärbiologisk nedbrytning i MBBR + A/O-systemet. Tre sorterade och isolerade stammar som är effektiva för att nedbryta vitlöksavloppsvatten – Alcaligenes sp., Acinetobacter sp. och Achromobacter sp. – blandades med aktivt slam och infördes i MBBR-enheten för att underlätta dess snabba start-.
1,2 MBBR + A/O-behandlingsprocess
Efter att ha passerat genom grova och fina siktar för att avlägsna suspenderade partiklar, pumpas vitlöksavloppsvattnet direkt in i MBBR. Influenskvaliteten visas iTabell 1. Avloppsvattnet från MBBR rinner direkt in i A/O-systemet. På grund av det låga organiska innehållet i MBBR-avloppsvattnet tillsätts rå vitlöksavloppsvatten på lämpligt sätt till Oxic (O)-tanken för att komplettera kolkällan för A/O-processen. För att testa systemets slaghållfasthet ökades den organiska belastningshastigheten för MBBR gradvis under kontinuerlig drift, och avloppskvaliteten övervakades.
1.3 Processparametrar
1.3.1 Upplöst syre (DO)
Alltför hög DO i biofilmen kan förhindra denitrifikation, vilket gör att MBBR förlorar sin samtidiga nitrifikations- och denitrifieringsförmåga. Alltför låg DO kan leda till spridning av trådformiga bakterier, vilket påverkar avloppskvaliteten och hämmar nitrifikationsprocessen.
1.3.2 Hydraulisk retentionstid (HRT)
En alltför kort HRT orsakar intensiva reaktionsförhållanden, där avloppsvatten som innehåller mest organiskt material släpps ut innan det absorberas helt. Kontinuerligt inflöde håller mikroorganismer i ett konstant tillstånd av biologisk nedbrytning, vilket minskar effektiviteten och ökar energiförbrukningen. En alltför lång HRT leder till utarmning av näringsämnen; utan näringsämnen minskar mikroorganismer sin aktivitet och metaboliska krav för att bara upprätthålla överlevnad.
1.3.3 Förhållande mellan kol-till-kväve (C/N)
Ett lågt C/N-förhållande kan leda till katalys av ammoniakomvandling till andra ämnen, vilket påverkar avskiljningen av ammoniakkväve. Det orsakar också lätt filamentös bulkning, kontinuerlig tillväxt som påverkar flockning, vilket leder till slambulkning och flytande slam. Ett högt C/N-förhållande är ogynnsamt för mikrobiell biologisk nedbrytning och tillväxt, vilket ökar den organiska belastningen på mikroorganismerna.
1,4 MBBR Biofilm Start-upp
Biofilmstart-: Metoden för att öka inokulerad slam + flödes-hastighet användes. MBR-berikat aktiverat slam inokulerades i reaktorn, med en initial koncentration av blandade vätska suspenderade fasta ämnen (MLSS) på cirka 5,82 g/L. Luftning påbörjades och polyetenbärare sattes till reaktorn med afyllnadsgrad på cirka 60%. DeDOi reaktorn kontrolleradesöver 4,0 mg/L. Inflödeshastigheten ökades stegvis i steg om 20 L/h: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 L/h, varvid varje flödeshastighet bibehölls under 1 dag. Inget slam gick till spillo under denna fas. En ljusgul biofilm bildades på ytan av bärarna där mikroorganismer fäste och växte. Efter en lyckad biofilmstart- fortsatte stabil drift och bibehöll enSlamretentionstid (SRT) på 30 dagar. Under stabil drift justerades den organiska laddningshastigheten för MBBR för att observera dess inverkan på COD, kväve och fosforavlägsnande.
2. Resultat och diskussion
2.1 Analys av MBBR effluentkvalitet under biofilmstart-
Luftningsintensiteten i MBBR justerades för att kontrollera DO-koncentrationen. När DO var under 4,0 mg/L var luftningsintensiteten otillräcklig för att stödja enhetlig, hög-turbulent rörelse hos bärarna, vilket förhindrade adekvat blandning och gjorde det svårt att bilda en biofilm på bärarytorna. När DO låg mellan 4,0–6,0 mg/L blandades bärarna noggrant med det aktiverade slammet och avloppsvattnet. En färgförändring från vit till gulaktig-brun på bärarna observerades, vilket tyder på framgångsrik mikrobiell vidhäftning och tillväxt under denna luftningsintensitet, som visas iFigur 2.
Variationskurvan för inflöde och avlopps-COD under uppstartsfasen- visas iFigur 3(a). Den initiala minskningen i behandlingseffektivitet berodde på den mycket låga mängden vidhäftade mikroorganismer på bärarna; nedbrytningen av mikroorganismer i det aktiva slammet enbart var otillräcklig för att avlägsna den stora mängden organiska ämnen. Allt eftersom uppstarten fortskred ökade mängden fästa mikroorganismer på bärarna och bildade gradvis en biofilm. COD-koncentrationen av avloppsvattnet stabiliserades gradvis, och COD-avskiljningseffektiviteten stabiliserades över 90 %.
Variationskurvan för MBBR-inflöde och avloppsvatten NH₃-N visas iFigur 3(b). Nitrifieringen av aeroba bakterier i det aktiverade slammet avlägsnade effektivt ammoniakkväve. Från och med dag 7 ökade den inflytande NH₃-N-koncentrationen gradvis. På dag 23, även om det inflytande NH₃-N fortfarande ökade, ökade också borttagningshastigheten. Detta berodde på att nitrifierande bakterier växer långsamt initialt; med tiden ökade deras befolkning, biofilmen mognade och NH₃-N-avlägsnandet ökade gradvis och stabiliserades.
Variationskurvan för MBBR influent och effluent TN visas iFigur 3(c). Till skillnad från avlägsnande av ammoniakkväve, minskade effektiviteten för avlägsnande av TN initialt. Detta berodde på att reaktormiljön hade gott om syre och kol, vilket begränsade tillväxten av denitrifierande bakterier. Men när biofilmen bildades började TN-borttagningseffektiviteten förbättras. På dag 20, även om den inkommande TN-koncentrationen ökade, stabiliserades TN-utsläppet och avlägsningshastigheten, mellan 50 %–60 %.
Variationskurvan för MBBR influent och effluent TP visas iFigur 3(d). Från start-upp till stabil drift förblev TP-borttagningshastigheten stabil. Även om koncentrationen av influent TP var hög initialt och minskade senare, visade avlägsningseffektiviteten ingen signifikant förändring, vilket indikerar systemets förmåga att avlägsna fosfor. TP-avlägsningsgraden i systemet bibehölls mellan 80 %–90 %.
Sammanfattningsvis,bibehålla MBBR-systemet DO mellan 4–6 mg/L, en mogen biofilm utvecklades efter 20 dagars kontinuerlig utfodring. Jämfört med traditionella aktiverade slamprocesser erbjuder MBBR-systemet stark slagtålighet och hög reningseffektivitet, vilket effektivt minskar svårigheten för efterföljande behandlingssteg för vitlöksbearbetning av avloppsvatten.
2.2 Avloppskvalitetsanalys under stabil drift
Efter biofilmens start-mognade biofilmen. För att testa slaghållfastheten hos MBBR-systemet ökades den organiska belastningshastigheten kontinuerligt under stabil drift.
Variationskurvan för MBBR influent och effluent COD under stabil drift visas iFigur 4(a). Från dag 1–5, med konstant inflöde, förblev COD-avlägsningseffektiviteten över 95 %, och COD-koncentrationen av avloppsvattnet nådde omkring 100 mg/L. Från dag 5–20 ökades inflödet, vilket gradvis höjde den organiska belastningen från 20 kgCOD/m³·d till 30 kgCOD/m³·d. Ingen signifikant förändring i avlägsningseffektivitet observerades, och avloppsvattnet COD förblev mellan 80–100 mg/L, vilket visar på stark slaghållfasthet. Efter dag 20 ökades inflödeshastigheten ytterligare, vilket kontinuerligt höjde den organiska belastningen i reaktorn från 30 kgCOD/m3·d till 37 kgCOD/m3·d, bibehållen i 5 dagar. MBBR:s COD-avlägsningskapacitet förblev över 95 %.
Figurerna 4(b) och (c)visa variationskurvorna för NH₃-N respektive TN under stabil drift. Från dag 1–5, med konstant inflöde, uppvisade MBBR-biofilmen samtidig nitrifikation och denitrifikation. Aeroba nitrifierande bakterier fästa vid det yttre lagret av biofilmen, helt blandade med avloppsvattnet under luftning, förbrukade betydande kvävekällor genom nitrifikation. Denitrifierande bakterier i det inre anoxiska lagret avlägsnade effektivt nitratkväve genom denitrifikation. Från dag 5–20, när inflödeshastigheten ökade, minskade avlägsningseffektiviteten för NH₃-N och TN initialt signifikant. Efter ca 7 dagars kontinuerlig drift anpassades systemet successivt. Även om avlägsningseffektiviteten för NH₃-N och TN sedan ökade, förblev den lägre än under perioden med lågt-flöde. Under konstant inflöde nådde NH₃-N-avlägsnandet över 90 %, med avlopps-NH₃-N mellan 10–15 mg/L, och TN-avlägsnandet hölls i princip över 80 %, med avloppsvatten-TN runt 30 mg/L. Efter att ha ökat inflödet och systemet nådde en ny balans under kontinuerlig påverkan, stabiliserades NH₃-N-avlägsnandet runt 80 %, med avloppsvatten NH₃-N mellan 50–70 mg/L, och TN-avlägsnande runt 60 %, med avloppsvatten TN under 50 mg/L.
Variationskurvan för TP under stabil drift visas iFigur 4(d). Koncentrationen av avloppsvattnet TP hölls i princip kring 10 mg/L. Inledningsvis, med konstant lågt flöde och låg inflytande TP-koncentration, var behandlingseffekten begränsad. När inflödeshastigheten och koncentrationen av inflytande TP ökade, uppnåddes hög behandlingseffektivitet under hela stötfasen och den efterföljande hög-belastningsoperationen, med TP-avlägsningshastigheten fluktuerade runt 90 %.
Sammanfattningsvis,under hög organisk lastchock förblev systemets COD-avlägsnande effektivitet i stort sett oförändrad, men avlägsnandet av NH₃-N och TN minskade mer signifikant. När den organiska belastningen nådde sitt maximum på 37 kgCOD/m³·d, minskade systemets avskiljningseffektivitet för NH₃-N och TN märkbart.
2.3 Avloppskvalitetsanalys av MBBR + A/O-system
Efter biofilmens uppstart- och en månads stabil drift lades en A/O-process till nedströms för avancerad behandling av MBBR-avloppet. Gradientökningar i inflödeshastigheten applicerades för att öka den totala organiska belastningen, i syfte att bestämma den optimala inflödeshastigheten, motsvarande den optimala HRT.
COD variationskurvan visas iFigur 5(a). Inflödeshastigheten ökade sekventiellt: 100, 120, 130, 150, 170 L/h. Från start till maximalt flöde ökade den organiska belastningen på MBBR-systemet från 20 kgCOD/m³·d till 37 kgCOD/m³·d. Det slutliga avloppsvattnet från det kombinerade systemet förblev stabilt, med COD-koncentration under 100 mg/L. Under långvarig hög organisk belastningschock presterade MBBR-systemet bra, även om dess avloppsvatten COD visade en liten ökning när flödeshastigheten nådde 150 L/h. Efter att ha bibehållit flödeshastigheten på 170 l/h under flera dagar, observerades en märkbar uppåtgående trend i MBBR-utflödet COD. Men med den efterföljande A/O-processen hölls det slutliga kombinerade systemets effluent fortfarande under 100 mg/L. Detta indikerar att även under den höga organiska belastningschocken på 37 kgCOD/m³·d, har den kombinerade processen fortfarande en stark avlägsningseffekt på vitlöksbearbetningsvatten.
Variationskurvorna för NH₃-N och TN visas iFigurerna 5(b) och (c), respektive. Avloppsvatten från vitlöksbearbetning har höga koncentrationer av ammoniakkväve och totalt kväve, som kan öka ytterligare över tiden på grund av oxidation. Normalt varierar koncentrationen av ammoniakkväve från 300–500 mg/L och totalt kväve från 450–600 mg/L. Under den samtidiga nitrifieringen och denitrifieringen i MBBR var ammoniakkväveavlägsnandet mer effektivt, troligtvis eftersom nitrifierande bakterier utnyttjar avloppsvattnet mer effektivt under luftning. Denitrifierande bakterier kräver anoxiska förhållanden och är ofta beroende av förbrukat organiskt kol för denitrifiering. När man ökade inflödeshastigheten var avlägsningseffektiviteten av NH₃-N och TN den primära faktorn. Från dag 1–4, på grund av låg flödeshastighet och måttlig NH₃-N, förblev NH₃-N-borttagningshastigheten över 90 %, och TN-borttagningseffektiviteten ökade gradvis. Därefter ökade inflödet avsevärt. Det observerades tydligt att när inflödeshastigheten ökade, ökade avloppskoncentrationerna av NH3-N och TN i olika stadier sekventiellt, med högre inflödeshastigheter som ledde till högre avloppskoncentrationer. När flödeshastigheten ökade ökade biomassan på biofilmsbärarna, vilket förbättrade nitrifikationen, där ammoniakkväve oxideras genom att nitrifiera bakterier till nitrat och nitrit under syre.
TP-koncentrationsvariationskurvan visas iFigur 5(d). Med tanke på de höga inflytande COD- och TN-koncentrationerna är den teoretiskt optimala TP-koncentrationen för mikrobiell tillväxt över 100 mg/L. Den inflytande TP-koncentrationen var dock långt under detta teoretiska krav. Därför förblev MBBR-avlopps-TP-koncentrationen runt 10 mg/L, och den slutliga koncentrationen av TP-avloppsvatten från det kombinerade systemet hölls mellan 2–3 mg/L.
Slamegenskaperna för MBBR-systemet och det efterföljande A/O-systemet före och efter drift mättes, som visas iTabell 2.
Sammanfattningsvis,när flödeshastigheten ökades till 150 l/h var avlägsningshastigheterna för COD, NH₃-N, TN och TP överlägsna de vid andra flödeshastigheter. HRT vid denna flödeshastighet var 27 timmar. Dessutom ökade slamkoncentrationen i både MBBR- och A/O-systemen avsevärt efter drift.
3. Slutsats
Efter biofilmbildning i MBBR var borttagningseffektiviteten för COD, NH₃-N, TN och TP stabila. Under en månads kontinuerlig drift under stabila förhållanden nådde COD-avlägsnandet över 95 %, NH₃-N- och TN-borttagningen stabiliserades runt 80 %, och TP-borttagningen stabiliserades runt 90 %.
MBBR-avloppsvattnet behandlades ytterligare i A/O-systemet. Den kombinerade processen kunde motstå en organisk belastning på upp till 37 kgCOD/m³·d. Den optimala operationen för hela processen var under en HRT på 27 timmar. Det slutliga avloppsvattnet COD stabiliserades under 100 mg/L, NH₃-N mellan 10–20 mg/L, TN under 30 mg/L och TP under 10 mg/L. Slamkoncentrationen i MBBR-systemet efter drift var 8,5 g/L, och i A/O-systemet var 4,1 g/L, båda betydligt högre än före drift, vilket tyder på en betydande ökning av mikrobiell biomassa. COD- och ammoniakkvävenivåerna efter biologisk behandling uppfyllde den sekundära utsläppsstandarden GB18918-2002. För ytterligare behandling kan Fentons avancerade oxidationsteknik användas för djupbehandling av det biologiskt behandlade avloppsvattnet för att uppnå den första nivån för utsläppsstandard.