Nedsmutsningskarakterisering och luftningsprestanda Återvinning av fin-pordiffusor i avloppsreningsverk
Som ett kritiskt steg i den aktiverade slamprocessen i kommunala reningsverk, ger luftning för syretillförsel inte bara tillräckligt med syre för att upprätthålla de grundläggande livsaktiviteterna för mikroorganismer utan håller också slammet suspenderat, vilket underlättar adsorption och avlägsnande av föroreningar. Luftning är också den mest-energikrävande enheten i reningsverk, och står för 45 % till 75 % av anläggningens totala energiförbrukning. Därför påverkar luftningssystemets prestanda direkt reningseffektiviteten och driftskostnaderna för reningsverket. Luftningsutrustning är en nyckelkomponent i luftningssystemet, där luftare med fina bubblor är de vanligaste i kommunala reningsverk på grund av deras höga syreöverföringseffektivitet (OTE). Men under lång-drift ansamlas föroreningar oundvikligen på ytan och i porerna i luftarna. För att säkerställa avloppskvaliteten krävs ytterligare lufttillförsel från fläktar, vilket leder till ökad energiförbrukning. Dessutom förvärrar föroreningar porerna igen och förändrar luftarmaterialet. Tryckförlusten (dynamiskt våttryck, DWP) hos luftarkomponenterna ökar under långvarig drift, vilket höjer fläktens utgående lufttryck och orsakar ytterligare energislöseri.
Föroreningar som ackumuleras på ytan och inuti porerna i luftare med fina bubblor inkluderar biologisk, organisk och oorganisk nedsmutsning. Organisk nedsmutsning resulterar från adsorption och utfällning av organiskt material och avsättning av mikrobiella sekret. Oorganisk nedsmutsning består vanligtvis av kemiska fällningar som bildas av flervärda katjoner, såsom metalloxider. Baserat på om de kan avlägsnas genom fysisk rengöring, kan föroreningar kategoriseras som fysiskt reversibel eller fysiskt irreversibel nedsmutsning. Fysiskt reversibel nedsmutsning kan avlägsnas med enkla fysiska metoder som mekanisk skrubbning, eftersom dessa föroreningar är löst fästa på luftarens yta. Fysiskt irreversibel nedsmutsning kan inte elimineras genom fysisk rengöring och kräver mer noggrann kemisk rengöring. Inom fysiskt irreversibel nedsmutsning benämns föroreningar som kan avlägsnas genom kemisk rengöring kemiskt reversibel nedsmutsning, medan de som inte kan avlägsnas ens genom kemisk rengöring anses vara oåterkallelig förorening.
För närvarande inkluderar luftare med finbubblor som används på hemmaplan traditionella gummimaterial som etylenpropylendienmonomer (EPDM) och nyare material som hög-polyeten (HDPE). Gasfördelningsskiktet hos HDPE-luftare bildas genom att belägga det inre lufttillförselröret med smält polymer, med pordiametrar ungefär (4,0 ± 0,5) mm. HDPE erbjuder goda kemiska, mekaniska och slagtåliga egenskaper och lång livslängd. Dess porstorlekar är dock inkonsekventa och ojämnt fördelade, vilket gör dem benägna att avsätta föroreningar. EPDM-material är mycket flexibelt, med porer skapade genom mekanisk skärning. EPDM-luftare har ett högre antal porer per ytenhet, vilket ger mindre bubblor (minst 0,5 mm). Den hydrofila naturen hos gummimembranet gynnar också bubbelbildning. Emellertid tenderar mikroorganismer att fästa och växa på EPDM-ytor, med användning av mjukgörare som substrat. Samtidigt gör förbrukningen av mjukgörare att luftarmaterialet hårdnar, vilket i slutändan leder till utmattningsskador och förkortad livslängd. Därför är det nödvändigt att undersöka mönstren för ackumulering av föroreningar på dessa två material och de därav följande förändringarna i syreöverföringseffektivitet och tryckförlust.
Denna studie tog fina bubbelluftare som ersattes efter år av drift från två kommunala reningsverk med liknande processförhållanden som forskningsämnen. Föroreningar på luftarna extraherades och karakteriserades lager för lager för att identifiera deras huvudkomponenter. Baserat på detta utvärderades effektiviteten hos rengöringsmetoder för att återvinna luftningsanordningarnas syreöverföringseffektivitet, i syfte att tillhandahålla grundläggande data och tekniska referenser för den långsiktiga -optimerade och stabila driften av luftningssystem med fina bubblor.
1 Material och metoder
1.1 Introduktion till avloppsreningsverken
Båda reningsverken är belägna i Shanghai och använder processen Anaerobic-Anoxic-Oxic (AAO) som kärnbehandling. Avloppsreningsverk A använder en virvelkornskammare + konventionell AAO + hög-fiberfilter + UV-desinfektionsprocess. WWTP B använder en luftad gruskammare + konventionell AAO + hög{10}}sedimentationstank + UV-desinfektionsprocess. Båda anläggningarna uppfyller stabilt Grade A-standarden för "Utsläppsstandarden för föroreningar för kommunala avloppsreningsverk" (GB 18918-2002). Specifika design- och driftsparametrar visas iTabell 1.
1.2 Extraktion och karakterisering av luftare föroreningar
De fina bubbelluftare som användes i experimenten var en rörformig HDPE-luftare (Ecopolemer, Ukraina) insamlad från anläggning A och en rörformig EPDM-luftare (EDI-FlexAir, USA) insamlad från anläggning B. Foton på båda visas iBild 1. Det gamla HDPE-röret hade varit i drift i 10 år, med dimensionerna D×L=120 mm×1000 mm och en pordiameter på (4±0,50) mm, som kunde producera fina bubblor på 2~5 mm. Det gamla EPDM-röret hade varit i drift i 3 år, med dimensionerna D×L=91 mm×1003 mm, vilket gav fina bubblor på 1,0~1,2 mm, med en minsta bubbeldiameter på 0,5 mm.
De gamla HDPE- och EPDM-rören togs upp från de aeroba tankarna, placerades på matfilm och sköljdes med avjoniserat vatten. Mekanisk skurning utfördes med hjälp av ett flam-steriliserat blad för att skrapa bort föroreningar fästa vid luftarens yta.
För att ytterligare studera effekten av nedsmutsning på syreöverföringsprestanda, utfördes kemisk rengöring på HDPE-röret. Efter mekanisk skrubbning blötlades HDPE-röret i 5 % HCl- respektive 5 % NaClO-lösningar under 24 timmar. De gamla rören, mekaniskt skurna rören och kemiskt rengjorda rören torkades i en 60 graders ugn (modell XMTS-6000) i 60 timmar. Deras ytor undersöktes sedan med svepelektronmikroskopi (SEM, modell JSM-7800F, Japan), energidispersiv röntgenspektroskopi (EDX, Oxford Instruments, Storbritannien) och konfokal laserskanningsmikroskopi (CLSM, modell TCS SP8, Tyskland). HCl-rengöringslösningen filtrerades genom ett 0,45 μm membran, och kvantitativ analys av flervärda katjoner (inklusive Ca, Mg, Al, Fe-joner, etc.) utfördes med induktivt kopplad plasmaoptisk emissionsspektrometri (ICP, modell ICPS-7510, Japan). Eftersom HCl och NaClO kan orsaka denaturering och åldrande av EPDM-membranet, utfördes ingen kemisk rengöring på EPDM-röret. EPDM-röret skars i 5 cm × 5 cm membranbitar och blötlades i HCl för kvantitativ analys av flervärda katjoner i lösningen.
1.3 Test av utrustning och metod för luftarens syreöverföringsprestanda
Syreöverföringsprestanda för finbubblaluftare testades enligt "Bestämning av syreöverföringsprestanda för rent vatten för finbubblor" (CJ/T 475-2015). Testinställningen visas iFigur 2.
Apparaten är en struktur i rostfritt-stål som mäter 1,2 m × 0,3 m × 1,4 m, med visningsfönster av organiskt glas på båda sidor. Luftaren fixerades vid mittbotten med hjälp av ett metallstöd, med ett nedsänkningsdjup på 1,0 m. En vattenkvalitetsanalysator med flera-parametrar (Hach HQ30D, USA) användes för att övervaka koncentrationen av löst syre (DO) i realtid-. Vattenfri natriumsulfit användes som deoxygeneringsmedel och koboltklorid som katalysator. Tryckmätarens avläsning representerade luftarens dynamiska våta tryck (DWP, kPa). Mätresultaten korrigerades för temperatur, salthalt och DO. Den standardiserade syreöverföringseffektiviteten (SOTE, %) användes som utvärderingsindex.
Energiförbrukningen för fläkten är relaterad till både lufttillförselflödet och utgående lufttryck, vilka påverkas av luftarens SOTE respektive DWP. Därför användes ett luftningsenergiförbrukningsindex J (kPa·h/g), som representerar den kombinerade effekten av SOTE och DWP, för att bedöma luftarens prestanda. Det definieras som den tryckförlust som luftaren måste övervinna per massenhet överfört syre. J beräknas från lutningen av den linjära regressionspassningen mellan DWP/SOTE och luftflödet (AFR), som visas i följande ekvation:
Där:
AFRär luftflödet, m³/h;
ρluftär luftdensiteten, taget som 1,29 × 10³ g/m³ vid 20 grader;
yO2är syrehalten i luft, taget som 0,23 g O2/g luft.
2 Resultat och analys
2.1 Syreöverföringsprestanda för nya, gamla och rengjorda luftare
Figur 3visar luftarnas SOTE och DWP vid olika luftflödeshastigheter.
Från figurerna 3(a) och (b) var SOTE-värdena för de nya HDPE- och nya EPDM-rören (7,36±0,53)% respektive (9,68±1,84)%. EPDM-röret producerar mindre bubblor med en större specifik yta, vilket ökar gas-vätskekontaktytan och uppehållstiden, vilket resulterar i högre SOTE. SOTE för båda luftarna minskade med ökande AFR eftersom en högre AFR ökar bubblans antal och initial hastighet, vilket leder till fler bubbelkollisioner och bildandet av större bubblor, vilket hindrar syreöverföring från gas till vätskefas. EPDM-rörets SOTE visade en mer uttalad minskande trend med ökande AFR jämfört med HDPE-röret. Detta beror på att porerna i HDPE-luftaren är stela och inte förändras med AFR, medan porerna i EPDM-luftaren är flexibla och öppnar bredare med ökad AFR, bildar större bubblor och minskar SOTE ytterligare.
Efter lång-drift sjönk SOTE för HDPE-röret till (5,39±0,62) %, en minskning med 26,7 %, främst på grund av att föroreningar täppte till porerna och minskade antalet effektiva porer för bubbelgenerering. Mekanisk skrubbning ökade SOTE av HDPE-röret till (5,59±0,66) %, men återhämtningen var inte signifikant, möjligen på grund av att föroreningar på HDPE-röret inte bara fästes på ytan utan också avsatts inuti porerna, vilket gör dem svåra att ta bort genom mekanisk skrubbning. Jiang et al. fann att NaClO effektivt kan ta bort föroreningar från HDPE-rör och återställa deras luftningsprestanda. Efter NaClO-rening återhämtade sig SOTE i HDPE-röret till (6,14±0,63) %, vilket är 83,4 % av det nya rörets nivå, men kunde fortfarande inte återhämta sig helt. Detta beror på att föroreningar under långvarig drift blir tätt fästa, förändrar porstrukturen, hindrar luftflödet, ökar bubblornas koalescens, minskar bubblans specifika yta och uppehållstid och hindrar således syreöverföring. Samtidigt orsakar nedsmutsning ojämn luftfördelning, vilket försämrar den totala prestandan.
SOTE för det gamla EPDM-röret sjönk till (9,06±1,75) %, en minskning med 6,4 %. Förutom att porerna täpps till från ansamling av föroreningar, förbrukar biologisk nedsmutsning mjukgörare i materialet, härdar luftaren och deformerar porerna. De deformerade porerna kan inte återgå till sitt ursprungliga tillstånd, vilket ger större bubblor och sänker SOTE. Mekanisk skrubbning ökade SOTE av EPDM-röret till (9,47±1,87) %, vilket nästan återställde det till nivån för det nya röret, vilket indikerar att föroreningar på EPDM-röret var löst fästa på ytan och till största delen kunde avlägsnas genom mekanisk skrubbning.
Från figurerna 3(c) och (d), var DWP för det nya EPDM-röret (6,47±0,66) kPa, betydligt högre än det för det nya HDPE-röret [(1,47±0,49) kPa]. Detta beror på att EPDM-rörets pordiameter är mindre än HDPE-rörets, vilket resulterar i större motstånd när bubblor pressas igenom. Efter lång-drift ökade DWP för det gamla HDPE-röret till (4,36±0,56) kPa, 2,97 gånger det nya röret. Ökningen av DWP är relaterad till både graden av portilltäppning och materialförändringar. Mekanisk skrubbning reducerade DWP för HDPE-röret till 2,25 gånger det nya röret. NaClO-rengöring minskade den ytterligare till (2,04±0,45) kPa, 1,39 gånger den för det nya röret. Detta indikerar återigen att de flesta föroreningar på HDPE-röret avsattes inuti porerna och inte kunde avlägsnas effektivt genom mekanisk skrubbning, vilket kräver NaClO-rengöring för att återställa prestanda. DWP för det gamla EPDM-röret ökade till (8,10 ± 0,94) kPa, 1,25 gånger det för det nya röret, och minskade till 1,10 gånger efter mekanisk skrubbning.
Figur 4visar förändringen av DWP/SOTE (betecknad som DWP') med AFR för luftarna.
En linjär regressionsekvation användes för att anpassa DWP' mot AFR, och energiförbrukningsparametern J erhölls från lutningen. J-värdena för de nya HDPE- och nya EPDM-rören var 0,064 respektive 0,204 kPa·h/g, vilket indikerar att per massenhet syre som överförs måste EPDM-röret övervinna större tryckförluster. Vid tidpunkten för utbytet ökade J-värdena för HDPE- och EPDM-rören till 0,251 respektive 0,274 kPa·h/g. Nedsmutsning av luftaren som leder till ökat tryckförlust kan påverka fläktens säker drift. Efter mekanisk skrubbning minskade J-värdena för HDPE- och EPDM-rören till 0,184 respektive 0,237 kPa·h/g. Ändringar i J kan användas för kvantitativ analys av luftare föroreningar. Skillnaden i J mellan det gamla röret och det mekaniskt skurade röret orsakas av fysiskt reversibel nedsmutsning. Skillnaden mellan den mekaniskt skurade tuben och den nya tuben orsakas av fysiskt irreversibel nedsmutsning. Skillnaden mellan det mekaniskt skurna röret och det kemiskt rengjorda röret orsakas av kemiskt reversibel nedsmutsning, medan skillnaden mellan det kemiskt rengjorda röret och det nya röret orsakas av oåterkallelig nedsmutsning. Figur 5 visar förändringarna i energiförbrukningsparametern J för luftarna.
FrånFigur 5, för HDPE-röret stod fysiskt reversibel och fysiskt irreversibel nedsmutsning för 35,8 % respektive 64,2 % av den totala nedsmutsningen. Inom den fysiskt irreversibla nedsmutsningen stod kemiskt reversibel och oåterkallelig förorening för 42,8 % respektive 21,4 %. För EPDM-röret stod fysiskt reversibel och fysiskt irreversibel nedsmutsning för 52,9 % respektive 47,1 %. Oåterställbar nedsmutsning uppträder inte initialt utan ackumuleras över tiden, vilket i slutändan bestämmer luftarens livslängd. Därför bör rimliga rengöringsscheman upprättas för att bromsa övergången från reversibel till irreversibel nedsmutsning och minimera ackumuleringen av oåterkallelig nedsmutsning.
2.2 SEM-observation av nya, gamla och rengjorda luftare
Bild 6visar SEM-bilder av ytorna på nya, gamla och mekaniskt skurade luftare. Den porösa strukturen på det nya HDPE-röret är tydligt, medan ytan på det nya EPDM-röret är slät med rena-skurna porer. Efter flera års drift förändrades ytmorfologin hos båda luftarna avsevärt. Ojämna stavliknande och blockiga föroreningar täckte ytan helt, med föroreningar runt och inuti porerna, vilket hindrade syreöverföringen och ökade tryckförlusten. Efter mekanisk skrubbning avlägsnades de flesta föroreningar på EPDM-rörets yta, men porerna förblev igensatta. För HDPE-röret minskade föroreningsskiktets tjocklek, men porerna var fortfarande täckta.
2.3 Analys av oorganisk nedsmutsning av nya, gamla och rengjorda luftare
EDX användes för att ytterligare analysera huvudelementets sammansättning av luftningsytorna, med resultat som visas iTabell 2. Kol, syre, järn, kisel och kalcium detekterades på både HDPE- och EPDM-ytor. HDPE-röret innehöll också magnesium, medan EPDM-röret innehöll aluminium. Man drar slutsatsen att oorganiska föroreningar på HDPE-röret var kiseldioxid, kalciumkarbonat, magnesiumkarbonat och järnfosfat, medan de på EPDM-röret var kiseldioxid och aluminiumoxid. Dessa oorganiska fällningar bildades när koncentrationerna av oorganiska joner från kommunalt avloppsvatten och aktivt slam nådde mättnad på luftarens yta. Efter mekanisk skrubbning visade de oorganiska elementen på luftarytorna liten skillnad jämfört med de gamla rören, vilket tyder på att mekanisk skrubbning inte effektivt kan ta bort oorganiska föroreningar. Kim et al. fann att oorganiska föroreningar efter lång-drift täcks av organiska föroreningar, tätt vidhäftar ytan och inuti porerna, vilket gör dem svåra att ta bort genom mekanisk skrubbning.
Efter HCl-rening avlägsnades metalljoner på luftningsytorna helt. HCl korroderade en del av det organiska skiktet som täckte ytan, penetrerade den och reagerade med metalljoner, vilket avlägsnade oorganiska fällningar genom neutralisering och sönderdelning. HCl-rengöringslösningen som användes för att blötlägga luftarna analyserades av ICP för att beräkna innehållet av oorganiska föroreningar. Ca-, Mg- och Fe-innehållet för HDPE-röret var 18,00, 1,62 respektive 13,90 mg/cm², medan för EPDM-röret Ca-, Al- och Fe-innehållet var 9,55, 1,61 respektive 3,38 mg/cm².
2.4 Organisk nedsmutsningsanalys av nya, gamla och rengjorda luftare
För att kvantitativt undersöka fördelningen av organiska föroreningar användes Image J-programvaran för att beräkna biovolymen och substrattäckningsförhållandet för totala celler, polysackarider och proteiner från CLSM-mikrofotografier, med medelvärden tagna som slutresultat (Figur 7).
Från figur 7(a) var proteiner och totala celler huvudkomponenterna i organiska föroreningar på HDPE- respektive EPDM-rören, med maximala totala volymer som nådde 7,66×10⁵ och 7,02×10⁵ μm³. Den totala cellvolymen på EPDM-röret var 2,5 gånger högre än på HDPE-röret, vilket överensstämmer med fynd av Garrido-Baserba et al., som rapporterade högre total DNA-koncentration på gamla EPDM-luftare jämfört med andra material. Wanger et al. fann att när mikroorganismer fäster på EPDM-rör, om den omgivande miljön saknar tillräckligt med organiskt substrat, vände de sig till att använda EPDM-membranmjukgörare. Mikroorganismer kan använda mjukgörare som en kolkälla, påskynda tillväxt och reproduktion, och därigenom intensifiera biologisk nedsmutsning på EPDM-ytan. Polysackarid- och proteininnehållet på EPDM-röret var mycket lägre än på HDPE-röret, möjligen på grund av den högre slamåldern i anläggning B jämfört med anläggning A, vilket ledde till lägre koncentration av extracellulär polymer substans (EPS). Som huvudkomponenter i EPS blev proteiner och polysackarider som utsöndras av mikroorganismer betydande källor till organiska föroreningar på HDPE-rörets yta i Plant A.
Efter mekanisk skrubbning minskade mängden totala celler, polysackarider och proteiner på HDPE-röret med 1,49×10⁵, 0,13×10⁵ respektive 1,33×10⁵ μm³. På EPDM-röret var motsvarande minskningar 2,20×10⁵, 1,88×10⁵ respektive 2,38×10⁵ μm³. Detta indikerar att mekanisk skrubbning kan minska organisk nedsmutsning i viss utsträckning.
För HDPE-röret ökade emellertid substrattäckningsytan för polysackarider och proteiner efter mekanisk skrubbning -från 2,75 % och 6,28 % till 4,67 % respektive 7,09 % [Figur 7(b)]. Detta inträffade eftersom de extracellulära polymera substanserna (EPS) har hög viskositet. Följaktligen hade mekanisk skrubbning den kontraproduktiva effekten att proteiner, polysackarider och oorganiska föroreningar spreds över HDPE-rörets yta, vilket ledde till större täckning. Detta förklarar sannolikt varför mekanisk skrubbning misslyckades med att avsevärt återställa luftningseffektiviteten hos HDPE-röret.
Efter NaClO-rening minskade det totala antalet celler, polysackarider och proteiner på HDPE-röret med 2,34×10⁵, 3,42×10⁵ respektive 4,53×10⁵ μm³, vilket visade signifikant högre borttagningseffektivitet än mekanisk skrubbning. NaClO oxiderar funktionella grupper av organiska föroreningar till ketoner, aldehyder och karboxylsyror, vilket ökar hydrofilicitet hos moderföreningarna och minskar föroreningars vidhäftning till luftaren. Dessutom kan slamflockar och kolloider sönderdelas av oxidanter till fina partiklar och löst organiskt material.
3 Slutsatser
①SOTE-värdena för de nya HDPE- och nya EPDM-rören var (7,36±0,53) % respektive (9,68±1,84) %. EPDM-rörets SOTE visade en mer uttalad minskande trend med ökande AFR jämfört med HDPE-röret. Detta beror på att porerna i HDPE-luftaren är stela och inte förändras med AFR, medan porerna i EPDM-luftaren är flexibla och öppnar bredare med ökad AFR, bildar större bubblor och minskar SOTE ytterligare.
②På grund av ansamling av föroreningar på ytan och inuti porerna minskade HDPE-rörets syreöverföringseffektivitet med 26,7 % och dess tryckförlust ökade till 2,97 gånger det nya röret. Eftersom de flesta föroreningar på HDPE-röret avsattes inuti porerna, var mekanisk skrubbning inte effektiv. Efter kemisk rengöring återhämtade sig SOTE i HDPE-röret till 83,4 % av det nya rörets nivå, och DWP minskade till 1,39 gånger det nya röret, vilket visade en betydande prestandaförbättring. På grund av nedfallet av föroreningar kunde den dock inte helt återhämta sig till sitt ursprungliga tillstånd. För HDPE-röret stod fysiskt reversibel, kemiskt reversibel och oåterkallelig nedsmutsning för 35,8 %, 42,8 % respektive 21,4 %.
③Efter lång-drift minskade syreöverföringseffektiviteten för EPDM-röret med 6,4 % och dess tryckförlust ökade till 1,25 gånger det nya röret. Efter mekanisk skrubbning återställdes luftningsprestandan hos EPDM-röret nästan till nivån för det nya röret, vilket tyder på att föroreningar på EPDM-röret var löst fästa på ytan och till stor del kunde avlägsnas genom mekanisk skrubbning. För EPDM-röret stod fysiskt reversibel och fysiskt irreversibel nedsmutsning för 52,9 % respektive 47,1 %.
④Proteiner var huvudkomponenten i organiska föroreningar på HDPE-röret, medan totala celler var huvudkomponenten på EPDM-röret. Detta beror på att mikroorganismer använder mjukgörare i EPDM-materialet som en kolkälla, vilket påskyndar deras tillväxt och reproduktion och därigenom intensifierar biologisk nedsmutsning på EPDM-materialluftare.