Borttagning av ammoniakkväve från mikro-förorenat flodvatten och kombinerat avlopp med MBBR-förpackningar av olika material
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) kombinerar fördelarna med den aktiverade slamprocessen och den traditionella biofilmprocessen, vilket gör den till en innovativ och revolutionerande teknologi inom modern biologisk rening av avloppsvatten. Flera tidigare studier har visat att MBBR-processen effektivt kan lindra trycket för att avlägsna kväve från stadsavlopp. Bio-bärarpackningarna i MBBR-processen kan transportera biofilmen till hela reaktorn, främja kontakten mellan biofilmen, syre och reaktionssubstrat och förbättra effektiviteten av nedbrytningsreaktioner. På grund av deras unika stabilitet och densitetsegenskaper har de breda användningsmöjligheter.
För närvarande är de flesta MBBR bio-bärarförpackningar huvudsakligen gjorda av material som polyeten (PE), polypropen (PP), polyuretan (PU) och porös polyuretan (PPC). Bland dem har PE-baserade MBBR-packningar en bra borttagningseffekt på krom, CODCr, ammoniakkväve, totalt kväve, totalt organiskt kol och flyktiga fenoler i avloppsvatten; PP-packningar används mest i kombinerade MBBR-processer, såsom MBBR-AO kombinerad process och MBBR-MBR kombinerad process; PU- och PPC-packningar har hög porositet, vilket kan ge en större fästarea för mikroorganismer, vilket gör att mikroorganismer kan växa snabbt och stabilt och därigenom effektivt avlägsna organiska föroreningar och olika näringsämnen i avloppsvattnet. PE- och PPC-packningar är två mycket använda typer för närvarande. PE-packningar används mer allmänt med bättre prestanda, medan PPC-packningar har starkare hydrofilicitet och större specifik yta, vilket är mer gynnsamt för vidhäftning av mikroorganismer. Båda typerna av packningar har sina egna fördelar och nackdelar, och båda har god mekanisk hållfasthet och låg kostnad. Det finns dock få rapporter om deras ammoniak-kväveavlägsnande effekter från mikro-förorenat flodvatten och kombinerat dagvatten-avlopp i den MBBR-AO-kopplade processen. Det här dokumentet undersöker effekten av att lägga till olika typer av MBBR-bio-bärarpackningar (PE- och PPC-material) i MBBR-AO-kopplad process på effektiviteten för borttagning av ammoniakkväve från mikro-förorenat flodvatten och kombinerat dagvatten-avlopp. Samtidigt analyserar den biofilmbildningshastigheten och livslängden för olika MBBR bio-bärarförpackningar, i syfte att förbättra de specifika urvalsmetoderna för olika MBBR bio-bärarförpackningar i MBBR-processen för rening av avloppsvatten.
1. Reningsprocess för avloppsvatten
1. 1 Process Flow and Bio-carrier Packing Details
Avloppsreningsanordningen som används i denna studie är en egen-konstruerad biologisk reaktor med fluidiserad bädd, som använder MBBR-AO-kopplad process. Huvudprocessflödet visas i figur 1(a), och den specifika utrustningen inkluderar ett galler, en lyftpump, MBBR bio-bärarpackningar, en integrerad hög-effektiv biologisk kväveavskiljningstank, en hög-sedimentationstank, ett luftningssystem, etc. Influensflödet är 50 m³ reoximat (50 m³) m³/h), den effektiva hydrauliska retentionstiden är 5 timmar och reaktorns effektiva volym är cirka 10 m³.
MBBR-bio-bärarförpackningarna i avloppsreningsanordningen är PE-baserade packningar och PPC-gelbärarförpackningar. De PE-baserade packningarna är i form av ringformiga strålningar med en storlek på Φ25 mm×10 mm, 19 hål och femkantiga kanaler, med en specifik yta på cirka 500 m²/m³ [Figur 1(b)]; PPC-gelbärarpackningarna är kubiska med en storlek på Φ10 mm×10 mm×10 mm och en specifik yta på cirka 5 000 m²/m³ [Figur 1(c)].
1.2 Avloppskvalitet
I den här studien användes avloppsreningsanordningen för att behandla två typer av vattenförekomster: mikro-förorenat flodvatten och kombinerat dagvatten-avlopp. Det mikro-förorenade flodvattnet kom från en stadsflod i en region i Zhejiang med låga föroreningsnivåer, och dess ammoniakkvävekoncentration var relativt låg, med en genomsnittlig masskoncentration på 5 mg/L. Det kombinerade dagvatten-avloppsvattnet var inflödeskällan för två avloppspumpstationer (Pumping Station 1 och Pumping Station 2) i ett avloppsreningsverk i Zhejiang, med en relativt hög ammoniak-kvävekoncentration som sträckte sig från 3 till 20 mg/L. Detta beror på att vissa kväveoxider i luften reagerar med regnvatten och bildar salpetersyra eller nitrater under regnperioden, vilket är mer gynnsamt för reproduktionen av ammoniakoxiderande bakterier, vilket resulterar i en relativt hög ammoniakkvävehalt i avloppsvattnet. Under tiden hölls pH-värdet för båda vattendragen mellan 7 och 9.
1.3 Driftsparametrar för avloppsreningsanordningen
1.2.1 Initial biofilmbildningsprocess
Avloppsreningssystemet startades genom att tillföra packningar i omgångar för biofilmbildning. Enligt den faktiska fluidiseringseffekten av packningarna i reaktorn bestämdes den slutliga volymfraktionen av de tillsatta packningarna till 20 %. Under uppstartsprocessen återfördes inte det suspenderade slammet i systemet och slamreturförhållandet under avloppsrening var 1:8.
1.2.2 Kontroll av enhetens driftsparametrar
Avloppsreningsanordningen arbetade vid rumstemperatur (20 grader). Luftningsutrustningen i botten av anordningen användes för att kontrollera luftningshastigheten under avloppsrening. Samtidigt kontrollerades anordningens inflödeshastighet till 2 m³/h, och andra parametrar under rening av avloppsvatten förblev i princip konsekventa. Det kombinerade dagvattnet-avloppsvattnet från pumpstation 1 och pumpstation 2, såväl som det mikro-förorenade flodvattnet, valdes ut som prov av inflytande vatten.
2. Resultat och diskussion
2.1 Biofilmbildningshastighet för MBBR-förpackningar med olika material
Under uppstartsfasen- av avloppsreningsanordningen var kvaliteten på det inkommande vattnet stabil. Efter tillsats av förpackningarna i omgångar genomgick förpackningarna normal biofilmbildning och mognad.
Under samma driftsförhållanden varierade biofilmbildningshastigheten för bio-bärarförpackningar med olika material avsevärt på grund av deras inneboende egenskaper. Biofilmbildningshastigheten för PE-baserade packningar var relativt långsam, vilket krävde tillsats av kemikalier som glukos för sluten luftningskultur. Genom att observera hur PE- och PPC-packningar fungerar i den MBBR-AO-kopplade processen, fann man att cirka 5 dagar efter tillsatsen av PE-packningar uppträdde en tunn gulaktig-brun biofilm på ytan av bärarna. Efter kontinuerlig drift i cirka 1 vecka uppträdde ett stort antal paramecia, epistylis, hjuldjur och en liten mängd virvlar på bärarytan, vilket indikerar att biofilmen i princip var mogen och att systemstarten- var klar vid denna tidpunkt. Däremot var biofilmbildningshastigheten för PPC-packningar snabbare, och biofilmen var i princip mogen på cirka 3 dagar, medan slam kunde adsorberas in i packningarnas inre. Bildandet av biofilm hjälper till att förbättra aktiviteten hos ammoniakoxiderande bakterier-. Jämfört med PE-packningar är den stora specifika ytan hos PPC-packningar mer gynnsam för biofilmbildning och mikrobiell immobilisering. För PE-förpackningar av samma material som behandlar olika typer av avloppsvatten uppvisade även packningarnas biofilmbildande effekt betydande skillnader. Det kan ses från figur 2(a) att det fanns en tunn ljusbrun biofilm på ytan av PE-packningar i det mikro-förorenade flodvattnet. Figur 2(b) visar dock att biofilmskiktet på ytan av PE-packningar i det kombinerade dagvatten-avloppsvattnet var fragmenterat, vilket indikerar att biofilmsbildningseffekten av PE-packningar i det mikro-förorenade flodvattnet var betydligt bättre än i det kombinerade dagvatten-avloppet. Det kan ses från figur 2(c) och figur 2(d) att skillnaden i biofilmbildningseffekten av PPC-packningar i det mikro-förorenade flodvattnet och det kombinerade dagvattnet-avloppet inte var signifikant.
2. 2 Ammoniak-kväveborttagningskapacitet hos bio-bärarförpackningar med olika material
Ammoniakkvävehalt är en nyckelindikator för att utvärdera den faktiska reningseffekten av avloppsvatten från pumpstationer. Därför har förmågan att avlägsna ammoniakkväve en viktig praktisk vägledande betydelse för valet av bio-bärarförpackningstyper i den MBBR-AO-kopplade processen.
2. 3 Ammoniak-kväveavlägsnande Effekt av PE- och PPC-packningar på mikro-förorenat flodvatten under kort-processdrift
Såsom visas i figur 3 var de genomsnittliga koncentrationerna av ingående ammoniakkväve i den MBBR-AO-kopplade processen med PE- och PPC-packningar 3,69 mg/L respektive 3,39 mg/L. Samtidigt fluktuerade den faktiska inflytande ammoniakkvävekoncentrationen avsevärt, vilket orsakades av nederbörd. I processen med PE-packningar var den genomsnittliga mängden ammoniak-kväveavskiljning och den genomsnittliga avskiljningshastigheten för det mikro-förorenade flodvattnet 3,12 mg/L respektive 84,55 %, vilket var högre än för processen med PPC-packningar (2,56 mg/L och 75,52 %). Detta indikerar att tillsats av PE-packningar i den MBBR-AO-kopplade processen är mer gynnsam för att avlägsna ammoniakkväve från mikro-förorenat flodvatten på kort sikt (inom 12 dagar).
2.4 Ammoniakkväveavlägsnande Effekt av PE- och PPC-packningar på kombinerat dagvatten-avlopp under kort-processdrift
Som visas i figur 4, under den korta-dagarsdriften (18-dagar) av MBBR-AO-kopplad process med PE-packningar, var de genomsnittliga koncentrationerna av ingående ammoniakkvävemassa i det kombinerade dagvatten-avloppsvattnet från pumpstation 1 [Figur 4(a)] och [2b) figur 4.(4) mg/L respektive 9,35 mg/L. När PE-packningar tillsattes på kort sikt (18-dagars) rening av kombinerat dagvatten-avlopp från pumpstation 1 och pumpstation 2 med den MBBR-AO-kopplade processen, minskade koncentrationen av ammoniakkväve i avloppsvattnet avsevärt. De genomsnittliga mängderna ammoniak-kväveavskiljning var 6,93 mg/L och 7,9 mg/L, med en genomsnittlig avskiljningsgrad på 95,71 % respektive 84,49 %. Under korttidsrening (18-dagars) av kombinerat dagvatten-avlopp från pumpstation 1 förblev ammoniakkväveavskiljningen över 90 % och nådde nästan 100 % den 9:e dagen. Det behandlade avloppsvattnet kan vara mer gynnsamt för tillväxten av vidhäftade mikroorganismer och därigenom främja avlägsnandet av ammoniakkväve. Samtidigt, under den kortsiktiga (18-dagars) reningen av kombinerat dagvatten-avlopp från pumpstation 2, förblev ammoniakväteavskiljningsgraden mestadels runt 90 %, vilket indikerar att tillsats av PE-packningar i den MBBR-AO-kopplade processen har en stark borttagningseffekt på ammoniak-kväve i kombination med ammoniak-kväve i dagvatten (1 dag).
Såsom visas i figur 5, i den MBBR-AO-kopplade processen med PPC-packningar, varierade de inflytande ammoniak-kvävemasskoncentrationerna i det kombinerade dagvatten-avloppsvattnet från pumpstation 1 [figur 5(a)] och pumpstation 2 [figur 5(b)] från 0 mg/2, 2 respektive mg/2 till mg/2, 2 respektive mg/2. med stora svängningar. Detta kan bero på nederbörd som gör att kväveoxider i luften kommer in i avloppssystemet, vilket resulterar i betydande fluktuationer i den inflytande ammoniakkvävekoncentrationen. De genomsnittliga koncentrationerna av ingående ammoniakkväve i det kombinerade dagvatten-avloppet från pumpstation 1 och pumpstation 2 var 14,76 mg/L respektive 13,26 mg/L. Efter kort-behandling (24 dagar) med MBBR-AO-kopplad process med PPC-packningar, minskade ammoniakkvävekoncentrationen i avloppsvattnet signifikant, med genomsnittliga masskoncentrationer på endast 5,32 mg/L och 6,42 mg/L. De genomsnittliga mängderna för avlägsnande av ammoniakkväve var 9,44 mg/L och 6,84 mg/L, och den genomsnittliga avlägsnandegraden var 63,96 % respektive 51,58 %. Detta indikerar att PPC-packningar har en viss effekt på att ta bort ammoniakkväve från kombinerat dagvatten-avlopp. Den höga koncentrationen av ammoniakkväve i det kombinerade dagvatten-avloppsvattnet kan bero på införandet av andra komplexa komponenter i avloppsvattnet, och därigenom hämmar nedbrytningen av ammoniakkväve av PPC-packningar. Jämfört med PE-packningar har PPC-packningar mindre porer och högre porositet. Föroreningar och suspenderade partiklar i det kombinerade dagvatten-avloppsvattnet kan blockera porerna i PPC-packningar, vilket leder till agglomerering inuti packningarna och därmed minska effektiviteten för borttagning av ammoniakkväve. Samtidigt har tidigare studier funnit att biofilmer mindre än 1 mm kan orsaka porblockering inuti packningarna. Även om biofilmer kan påskynda inre blockering av packningarna, är de inte huvudfaktorn.
Under den korta-driften av den MBBR-AO-kopplade processen var den genomsnittliga ammoniakväteavskiljningshastigheten för PE-packningar för kombinerat dagvatten-avloppsvatten (95,71 % för pumpstation 1 och 84,49 % för pumpstation 2) något högre än för mikro{{7} flodvatten (8 %). Däremot var den genomsnittliga avskiljningen av ammoniakkväve för PPC-packningar för kombinerat dagvatten-avloppsvatten (63,96 % för pumpstation 1 och 51,58 % för pumpstation 2) något lägre än för mikro-förorenat flodvatten (75,52 %). För PE-packningar, jämfört med mikro-förorenat flodvatten, är den låga koncentrationen av löst syre i kombinerat dagvatten-avloppsvatten mer gynnsam för samtidig nitrifikation och denitrifiering av mikroorganismer på PE-packningar för att avlägsna kväve. Under biofilmbildningen av PPC-packningar adsorberas slam i det inre av packningarna, vilket leder till en ökning av koncentrationen av löst syre, vilket inte bidrar till samtidig nitrifikation och denitrifiering av inre mikroorganismer, vilket resulterar i en minskning av ammoniak-kväveavskiljningshastigheten i både kombinerat dagvatten{{21}{22}flodvatten och mikroförorenat{22}flodvatten.
Sammanfattningsvis är att lägga till PE-packningar mer gynnsamt för nedbrytningen av ammoniakkväve i kombinerat dagvatten-avlopp genom den MBBR-AO-kopplade processen på kort sikt.
Ammoniak-kväveavlägsnande effekt av PE- och PPC-packningar på kombinerat dagvatten-avlopp under lång-drift av processen
Som visas i figur 6, under den långa-dagarsdriften (96-dagar) av MBBR-AO-kopplad process med PE-packningar, sträcker sig de ingående ammoniak-kvävemasskoncentrationerna i det kombinerade dagvatten-avloppsvattnet från pumpstation 1 [figur 6(a)] och [2b) från pumpstation 6 och [2b) 25 mg/L respektive 3 till 35 mg/L med stora fluktuationer. De genomsnittliga koncentrationerna av ingående ammoniakkväve var 10,20 mg/L respektive 8,93 mg/L. Efter behandling med den MBBR-AO-kopplade processen, minskade de genomsnittliga koncentrationerna av ammoniakkväve i avloppsvattnet till 2,93 mg/L och 2,67 mg/L, med genomsnittliga borttagsmängder på 7,27 mg/L och 6,26 mg/L, och en genomsnittlig avlägsningshastighet på 71,7,01 % respektive 71,01 %. Det fanns ingen signifikant skillnad i nedbrytningen av ammoniakkväve i det kombinerade dagvatten-avloppsvattnet från pumpstation 1 och pumpstation 2 genom att lägga till PE-packningar under den långsiktiga (96-dagars) driften av den MBBR-AO-kopplade processen, och ammoniakavskiljningen hölls vid cirka 7 %. Detta indikerar att tillsats av PE-packningar i den MBBR-AO-kopplade processen har en god avlägsningseffekt på ammoniakkväve i kombinerat dagvatten-avloppsvatten under lång-(96-dagars) drift. När den MBBR-AO-kopplade processen med PE-packningar kördes i det senare skedet (84-96 dagar), oavsett om inflödet var kombinerat dagvatten-avloppsvatten från pumpstation 1 eller pumpstation 2, ökade koncentrationen av ammoniakkväve i avloppsvattnet avsevärt, och ammoniakkväveavskiljningshastigheten var betydligt lägre än det tidiga steget i det tidiga avloppsprocessen. Detta beror på att efter långvarig användning skadas och åldras själva PE-packningarna, och ytjämnheten hos packningarna förändras, vilket leder till en minskning av brukshållfastheten och ammoniakkväveavskiljningskapaciteten.
Figur 7 visar förändringarna i koncentrationen av inflöde av ammoniak, kväve i utflödet, mängden ammoniak som avlägsnas, och hastigheten för avlägsnande av ammoniakkväve under den långa-driften av MBBR-AO-kopplad process med PPC-packningar. De ingående ammoniakkvävehalterna i det kombinerade dagvatten-avloppsvattnet från pumpstation 1 [Figur 7(a)] och Pumpstation 2 [Figur 7(b)] varierade från 3 till 35 mg/L, med genomsnittliga koncentrationer av ingående ammoniakkvävemassa på 10,96 mg/L respektive 10,96 mg/L/L. Efter behandling med MBBR-AO-kopplad process, minskade de genomsnittliga koncentrationerna av ammoniakkväve i avloppsvattnet till 3,96 mg/L och 3,39 mg/L, med genomsnittliga borttagsmängder på 7,00 mg/L och 4,71 mg/L, och en genomsnittlig borttagningshastighet på 63,81 % respektive 63,81 %. Under den långa-driften av den MBBR-AO-kopplade processen hade tillsats av PPC-packningar en något bättre nedbrytningseffekt på ammoniakkväve i det kombinerade dagvatten-avloppsvattnet från pumpstation 1 än från pumpstation 2, men skillnaden var inte signifikant. Detta indikerar att tillsats av PPC-packningar i den MBBR-AO-kopplade processen har en viss avlägsningseffekt på ammoniakkväve i kombinerat dagvatten-avloppsvatten under lång-drift. Avlägsningshastigheten för ammoniakkväve för MBBR-AO-kopplad process med PPC-packningar under lång-drift var högre än under kort-drift. Detta beror på att under lång-drift ackumuleras slam inuti PPC-packningarna och bildar en lokal anaerob eller anoxisk miljö, vilket ger en lämplig livsmiljö för nitrifierande bakteriers livsaktiviteter. De nitrifierande bakterierna förökar sig snabbt och den lokala reaktionshastigheten accelererar
Sammanfattningsvis är att lägga till PE-packningar mer gynnsamt för nedbrytningen av ammoniakkväve i kombinerat dagvatten-avlopp genom MBBR-AO-kopplad process under lång-drift. Under tiden bör PE-packningarna bytas ut eller rengöras i tid efter lång-användning för att säkerställa att ammoniakkvävet i avloppsvattnet fortfarande effektivt kan avlägsnas under den långa-driften av den MBBR-AO-kopplade processen.
Livslängd för bio-bärarförpackningar med olika material
Jämfört med PPC-packningar har PE-packningar en längre livslängd under lång-behandling av mikro-förorenat flodvatten och kombinerat dagvatten-avlopp genom den MBBR-AO-kopplade processen. Som visas i figur 8(a) upplever PPC-packningarna slaggbildning och skador under avloppsreningsprocessen genom den MBBR-AO-kopplade processen. Samtidigt inträffar åldrande och agglomeration inuti packningarna efter lång-drift [Figur 8(b) och 8(c)]. PPC-packningarna har dålig slampermeabilitet. Även om svampen-liksom PPC-packningar har en stor specifik yta, absorberas deras inre porer lätt av slam och är svåra att rinna ut. Lång-ansamling av slam inuti packningarna tenderar att bilda en anaerob eller anoxisk miljö, vilket gör att färgen på packningarna gradvis ändras från brun till svart. Detta leder till problem som slaggbildning, brott, åldrande och agglomerering av PPC-packningarna under lång{17}}drift, vilket förkortar deras livslängd. Detta är också huvudfaktorn för den dåliga effekten av PPC-packningar för att avlägsna ammoniakkväve från kombinerat dagvatten-avloppsvatten [Figur 5(a) och 5(b)]. Däremot hade PE-packningarna i princip inte ovanstående problem under lång-avloppsrening med MBBR-AO-kopplad process, med bättre hållbarhet och längre livslängd. En rimlig bärarkonfiguration kan effektivt buffra påverkan av vattenflödet på biofilmen, vilket gör att biofilmen kan växa stabilt utan att skadas.
Slutsatser
I denna studie lades PE bio-bärarförpackningar och PPC-förpackningar till under avloppsreningsprocessen i den MBBR-AO-kopplade processen. Effekterna av förpackningsmaterial på nedbrytningen av ammoniakkväve i mikro-förorenat flodvatten och kombinerat dagvatten-avlopp, samt den mikrobiell biofilmbildningshastighet och livslängd för packningar med olika material, undersöktes. Jämfört med PPC-packningar har PE-packningar en långsammare biofilmbildningshastighet men en längre livslängd. Samtidigt, oavsett om de används i lång- eller kortsiktig-behandling av mikro-förorenat flodvatten och kombinerat dagvatten-avlopp genom den MBBR-AO-kopplade processen, uppvisar PE-packningar bättre nedbrytningseffekter på ammoniakkväve. Forskningsresultaten ger tekniskt stöd för val av förpackningsmaterial i avloppsreningsprocesser.