Effekten av A2O-MBBR + Konstruerade våtmarker kombinerad process för rening av hushållsavloppsvatten på landsbygden

Effekten av A2O-MBBR + CWs kombinerad teknik för rening av hushållsavloppsvatten på landsbygden

Under de senaste åren har staten djupt främjat utvecklingsstrategin för förnyelse av landsbygden, fokuserat på att förbättra livsmiljön och ställt högre krav på rening av avloppsvatten på landsbygden. För närvarande inkluderar de huvudsakliga processerna för rening av hushållsavloppsvatten biologiska metoder, ekologiska metoder och kombinerade processer, varav de flesta härrör från rening av avloppsvatten från tätorter. Men landsbygdsområden kännetecknas av spridda befolkningar, vilket leder till många problem som hög spridning av avloppsvatten, svårigheter att samla in, små reningsskalor, lågt resursutnyttjande och otillräckliga reningsanläggningar. Dessutom finns det betydande skillnader i avloppsvattenkvalitet och kvantitet, geografiskt läge, klimat och ekonomiska nivåer mellan regioner, vilket gör det svårt att standardisera reningsteknik; en enkel användning av reningsteknik för avloppsvatten från tätbebyggelse är inte möjlig. Infrastrukturen för uppsamling av avloppsvatten, såsom avloppsnät, är ofta otillräcklig på landsbygden. Avloppsvattenuppsamlingen påverkas lätt av kombinerade avloppsbräddningar och grundvatteninfiltration, vilket resulterar i låg organisk koncentration i avloppsvattnet och ökad svårighet att ta bort biologiskt kväve. De stora fluktuationerna i avloppsvattnets kvalitet och mängd på landsbygden gör det svårt att upprätthålla en stabil biomassakoncentration i reningsanläggningar. Dessutom begränsar låga vintertemperaturer den biologiska reningskapaciteten, vilket leder till låg effektivitet och instabil avloppskvalitet som är benägen att överskrida standarder i traditionella processer för aktivt slam. Därför finns det ett akut behov av att utveckla avloppsvattenreningstekniker som är lämpliga för lokala förhållanden, med stark motståndskraft mot stötbelastningar, stabil långtidsdrift, låg energiförbrukning och hög reningseffektivitet.

Landsbygdsområden i Kina tenderar att föredra låg-kostnad, lätt-att-hantera reningsteknik för hushållsavlopp, med biologiska och ekologiska kombinerade processer som en viktig forskningsinriktning. För närvarande används ofta integrerad, förpackad avloppsreningsutrustning på landsbygden huvudsakligen processer som Anaerobic-Anoxic-Oxic (A2O) och Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Studier visar att MBBR-processen förlitar sig mer på anläggningsdesign än på exakt driftkontroll, och kräver ingen professionell teknisk personal för reglering, vilket gör den bekväm för drift och underhåll. Detta är mer lämpat för de praktiska behoven av rening av avloppsvatten på landsbygden där teknisk personal är knapp. Dess fördelar inkluderar hög biomassakoncentration, stark motståndskraft mot stötbelastningar, hög behandlingseffektivitet och litet fotavtryck. Forskning av Luo Jiawen et al. indikerar att tillsats av MBBR-media till A2O-processen avsevärt kan förbättra dess reningskapacitet för avloppsvatten. Zhou Zhengbing et al., i ett verkligt projekt för hushållsavloppsvatten på landsbygden, designade en två-anaerob/anoxisk-kombinerad process för anaerob/anoxisk{17}}biologiskt luftfilter, vilket uppnådde en stabil avloppskvalitet som uppfyller Grade A-standarden GB 18918-2002 Municipal Waste Water Pollutants Discharge Plant. Dessutom används konstruerade våtmarker (CWs) ofta för rening av hushållsavloppsvatten på landsbygden. Till exempel, Zhang Yang et al. använde biokol som ett fyllmedel för att modifiera en konstruerad våtmark, och hitta avlägsningshastigheter för TN, TP och COD kunde nå 99,41 %, 91,40 % respektive 85,09 %. Tidigare forskning av vår grupp har också visat att slam-biokol-fyllmedel kan förbättra kväve- och fosforavlägsnande prestanda hos konstruerade våtmarker, förbättra det övergripande systemets reningseffektivitet och effektivitet och göra systemet mer motståndskraftigt mot stötbelastningar. Med utgångspunkt i ovanstående forskning, för att utforska en kombinerad teknik som lämpar sig för rening av hushållsavloppsvatten på landsbygden och ta itu med utmaningar som svårigheter att upprätthålla en stabil biomassakoncentration, svag motståndskraft mot stötbelastningar och avloppskvalitet som är utsatt för fluktuationer och överskrider standarder i reningsanläggningar för avloppsvatten på landsbygden, placerade författaren en A2O-MBBR-process i förväg för att skapa en integrerad biofilm och fylla den med en integrerad biofilm. fixerad-miljö med filmaktiverat slam (IFAS), vilket ökar systemets slamkoncentration och förbättrar behandlingseffektiviteten. Med tanke på det ekologiska utnyttjandet av tillgänglig ledig mark som dammar och sänkor på landsbygden, och kombinera konstruerade våtmarker som en poleringsprocess, användes metoder som att använda slam-biokol-fyllmedel, recirkulera nitrifierad vätska och plantera nedsänkta växter för att förbättra driftsstabiliteten hos den sammansatta våtmarken. Således konstruerades en kombinerad A2O-MBBR + CWs process.

I den här studien, med användning av råavloppsvatten från en bys avloppsreningsverk i Hefei som reningsobjekt, konstruerades en experimentell -pilotuppsättning av den kombinerade processen A2O-MBBR + CWs. Inverkan av säsongsbetonade vattentemperaturförändringar på dess reningsprestanda undersöktes. Indikatorer för föroreningar i inflödet och avloppsvattnet övervakades under drift för att undersöka reningseffektivitet och driftsstabilitet. Samtidigt analyserades processens ekonomiska genomförbarhet. Syftet är att tillhandahålla datareferens och grund för tillämpningen av A2O+-konstruerad våtmarkskombinerad teknologi i reningsprojekt för landsbygdens hushållsavloppsvatten i Kina, och att erbjuda referenser för att främja rening av hushållsavloppsvatten och bygga vackra, ekologiskt beboeliga byar på landsbygden.

1. Experimentell uppställning och forskningsmetoder

1.1 Kombinerat processflöde

A2O-MBBR + CWs kombinerade processexperiment antog en serieoperation av en A2O-enhet, en kol-baserad våtmark med flöde under ytan och en ekologisk damm. A2O-enheten bestod av en förbryllad anaerob-anoxisk kontakttank och en aerob membrantank (MBBR). Både den förbryllade anaeroba tanken och luftningszonen för den aeroba MBBR-tanken fylldes med suspenderade biofilmsbärare för att tillhandahålla fästytor för mikroorganismer att bilda biofilmer. Det aktiverade slammet och biofilmen i tankarna samexisterade och bildade ett IFAS-system som stabilt kunde upprätthålla systemets biomassa. Den förbryllade anoxiska tanken förbättrade denitrifikationsprocessen genom recirkulering av nitrifierad vätska. Den aeroba MBBR-tanken hade ett luftningssystem i botten för att förbättra dess nitrifikationsprestanda. En doseringsport för polyaluminiumklorid (PAC) sattes inuti tanken för ytterligare kemisk fosforavskiljning, vilket möjliggör effektiv fosforavskiljning. CWs-enheten inkluderade en kol-baserad underjordisk våtmark och en ekologisk damm under vatten. Den kol-baserade underjordiska flödeskonstruerade våtmarken använde ett tre{17}}stegs filtreringssystem för fyllmedel. Luftningsskivor installerades i botten av påfyllningszonen för att backspola media för att mildra igensättning. Den nedsänkta växtekologiska dammen hade ett kalkstenssubstratlager i botten och var planterad med kall-toleranta nedsänkta växter Vallisneria natans och Potamogeton crispus. Uppställningen placerades utomhus. En termometer installerades i den ekologiska dammen för att övervaka säsongsbetonade vattentemperaturförändringar. Det detaljerade processflödet för A2O-MBBR + CWs kombinerade process visas iBild 1.

1.2 Inställningsdesign och driftsparametrar

Den experimentella uppställningen konstruerades med användning av 10 mm tjocka polypropenplattor. Den bafflade anaeroba tanken fylldes med fyrkantigt biofilmbärarmedium och innehöll baffelplattor. Recirkulationsförhållandet för blandad lut för den försedda anoxiska tanken var 50%~150%, och den innehöll också baffelplattor. Den aeroba MBBR-tanken delades av en baffel i en aerob luftningszon och en sedimentationszon. Luftningszonen fylldes med MBBR-upphängt bärarmedium med ett förhållande mellan luft-till-vatten på 6:1~10:1. Sedimentationszonen hade en PAC-doseringsport och lutande plattor för sedimenteringshjälp. Den kol-baserade våtmarken under ytan: den primära fyllnadszonen fylldes med kalksten (~5 cm diameter), den sekundära fyllnadszonen med zeolit ​​(~3 cm diameter) och den tertiära fyllnadszonen med slambiokolfyllmedel (~0,5~1,0 cm diameter). Fyllnadshöjden för varje zon var 75 cm. En mellanrumszon ca 4 cm bred sattes in mellan de primära och sekundära fyllnadszonerna för funktioner som att lägga till externa kolkällor, observation och underhåll/tömning (ingen kolkälla tillsattes under detta experiment). Den nedsänkta växtekologiska dammen fylldes med kalkstensfyllmedel (~3 cm i diameter) på en höjd av 20 cm. Nedsänkta växter planterades med ett radavstånd på 10 cm och växtavstånd på 10 cm. Experimentet använde råavloppsvatten från en bys avloppsreningsverk i Hefei som inflytande. Experimentperioden var från 25 maj 2022 till 17 januari 2023, totalt 239 dagar. Nedsänkta växter skördades en gång den 2 december, med en frekvens på ungefär en gång var sjätte månad. Den planerade reningskapaciteten för avloppsvatten var 50~210 L/d. Detaljerade designparametrar för inställningen visas iTabell 1.

1.3 Experimentella metoder

1.3.1 Experimentell design

1.3.1.1 Optimalt test av avloppsvattenreningskapacitet

Efter framgångsrik provdrift av experimentuppställningen (stabil avloppskvalitet) genomfördes det optimala testet för avloppsvattenreningskapaciteten från den 25 maj 2022 till den 30 juni 2022. Under förhållanden för att upprätthålla en aerob tankluft-till-förhållandet 6:1, nitrifierad vätskeinnehåll 0Al%2O 8%, 8% vätskeinnehåll 0%2O 8 på cirka 3,7 g/d, ökades avloppsvattenreningskapaciteten för installationen gradvis (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 L/d). Förändringar i avloppsvattnets kvalitet övervakades för att undersöka den optimala avloppsvattenreningskapaciteten för installationen. Under denna period varierade vattentemperaturen mellan 24,5 ~ 27,1 grader. För att säkerställa stabil efterlevnad av avloppsvattnet på vintern, antogs avloppsstandarden Grade A-standarden GB 18918-2002 "Utsläppsstandard för föroreningar för kommunala avloppsreningsverk".

1.3.1.2 Kombinerad process övergripande behandlingsprestandatest

Testperioden var från 1 juli 2022 till 17 januari 2023. Den optimala reningskapaciteten för avloppsvatten sattes till 120 L/d. Den aeroba tankens luft-till-förhållande var 6:1~10:1, och återcirkulationsförhållandet för blandad vätska var 50%~150%. Kvalitetsindikatorer för inflöde och avloppsvatten (TN, TP, NO₃^--N, NH₄⁺-N och COD) från varje processenhet övervakades. Vattentemperaturförändringar under testperioden (påverkade av säsongsbetonat klimat) registrerades. Reningsprestandan för A2O-MBBR + CWs kombinerade process för hushållsavloppsvatten på landsbygden analyserades, och inverkan av säsongsbetonade vattentemperaturförändringar på den kombinerade processens prestanda undersöktes.

1.3.2 Provtagning

Under testperioden togs prover oregelbundet (ungefär 1~2 gånger per vecka) för vattenkvalitetstestning. Prover samlades in från installationens influent, förbryllad anaerob -anoxisk tankavloppsvatten, aerob MBBR-tankavloppsvatten, kol-baserad underjordisk våtmarksavlopp och nedsänkt växtekologiska dammavlopp. Inflödesprover togs från installationens inloppsrör och avloppsprover från varje enhets utlopp. Vattenkvalitetsindikatortestning genomfördes samma dag som provtagningen. Testade indikatorer inkluderade TN, TP, NO₃^--N, NH₄⁺-N och COD. Varje gång prover togs registrerades vattentemperaturavläsningen från termometern i den ekologiska dammen (varierande mellan 0~32 grader). Vattentemperaturen i den ekologiska dammen förändrades naturligt med säsongsbetonade temperaturskillnader. Den designade avloppsstandarden för den experimentella uppställningen följde Grade A-standarden i DB 34/3527-2019 "Utsläppsstandard för vattenföroreningar för lantbruksanläggningar för hushållsavloppsrening". De designade inflödeskoncentrationerna och avloppsstandarderna beskrivs i detaljTabell 2.

1.3.3 Metoder för analys av vattenkvalitet

TN-koncentrationen i vattenprover bestämdes med hjälp av HJ 636-2012 "Vattenkvalitet - Bestämning av totalt kväve - Alkaline kaliumpersulfat digestion UV spectrophotometric method". INGA₃^--N-koncentrationen bestämdes med HJ/T 346-2007 "Vattenkvalitet - Bestämning av nitratkväve - Ultraviolett spektrofotometri (försök)". NH₄⁺-N-koncentrationen bestämdes med hjälp av HJ 535-2009 "Vattenkvalitet - Bestämning av ammoniakväve - Nesslers reagensspektrofotometri". COD bestämdes med HJ 828-2017 "Vattenkvalitet - Bestämning av kemiskt syrebehov - Dichromatmetoden". TP-koncentrationen bestämdes med användning av GB 11893-1989 "Vattenkvalitet - Bestämning av total fosfor - Ammoniummolybdat spektrofotometrisk metod".

2. Resultat och diskussion

2.1 Inverkan av avloppsvattenreningskapacitet på kombinerad processprestanda

Som visas iFigur 2 (a)(b), eftersom den dagliga reningskapaciteten för avloppsvatten gradvis ökade från 50 L/d till 210 L/d, reningseffektiviteten för TN och NH₄⁺-N av varje enhet i den kombinerade processen visade en minskande trend. TN-avlägsningshastigheten minskade från 91,55 % (50 L/d) till 52,17 % (210 L/d), och NH₄⁺-N-avlägsningshastigheten minskade från 97,47 % (70 L/d) till 80,68 % (210 L/d). Detta beror på att ökningen av den dagliga reningskapaciteten för avloppsvatten minskar den hydrauliska retentionstiden, vilket förkortar den tid som är tillgänglig för mikroorganismer att bryta ned föroreningar, vilket resulterar i sämre reningsprestanda. Bland dem bidrog A2O-enheten mest till TN och NH₄⁺-N borttagning. Den genomsnittliga koncentrationen av influent TN för denna enhet var 38,68 mg/L, effluenten var 16,87 mg/L, med en avlägsningsgrad på 56,29 %. Den genomsnittliga inflytande NH₄⁺-N-koncentrationen var 36,29 mg/L, effluenten var 5,50 mg/L, med en avlägsningshastighet på 84,85 %. För den kol-baserade underjordiska våtmarken var den genomsnittliga koncentrationen av influens TN 16,87 mg/L, effluenten var 11,96 mg/L, med en avlägsningshastighet på 29,10 %. För den nedsänkta växtekologiska dammen var den genomsnittliga koncentrationen av influens TN 11,96 mg/L, avloppsvattnet var 9,47 mg/L, med en uttagshastighet på 20,82 %. Kväveavskiljningsprestandan för den kol-baserade våtmarken med flöde under ytan var bättre än den för den ekologiska dammen eftersom den anaeroba-anoxiska miljön i våtmarken med flöde under ytan är mer lämpad för denitrifikation. Men NH₄⁺-N-borttagningsprestanda för den ekologiska dammen var bättre än den för våtmarken under ytan. Den genomsnittliga inflytande NH₄⁺-N-koncentrationen för den kol-baserade underjordiska våtmarken var 5,50 mg/L, avloppsvattnet var 4,04 mg/L, med en avskiljningshastighet på endast 26,53 %. För den ekologiska dammen, den genomsnittliga inflytande NH₄⁺-N-koncentrationen var 4,04 mg/L, effluenten var 2,38 mg/L, med en avlägsningsgrad på 41,07 %. Detta beror på att den aeroba miljön i den ekologiska dammen är mer lämpad för nitrifikation och omvandlar mer NH₄⁺-N till NO₃^--N, vilket resulterar i en högre NH₄⁺-N borttagningsfrekvens. När avloppsvattenreningskapaciteten nådde 150 L/d var TN-koncentrationen av avloppsvattnet 15,11 mg/L, vilket översteg Grade A-standarden GB 18918-2002. Därför, för att säkerställa stabil TN-överensstämmelse, var den maximala reningskapaciteten för avloppsvatten 120 L/d. När avloppsvattenreningskapaciteten nådde 210 L/d, avloppsvattnet NH₄⁺-N-koncentrationen var 7,07 mg/L, vilket översteg Grade A-standarden i GB 18918-2002. Därför är den maximala reningskapaciteten för avloppsvatten för NH₄⁺-N-överensstämmelse var 180 l/d.

Som visas iFigur 2 (c), var den genomsnittliga inflytande COD under 100 mg/L, vilket indikerar lågt organiskt innehåll. Ökningen av avloppsvattenreningskapaciteten påverkade inte nämnvärt COD-borttagningen, med COD-avlägsnande på mellan 75%~90%. Eftersom avloppsvattenreningskapaciteten ökade från 50 L/d till 210 L/d, var den genomsnittliga COD-avloppsvattnet 19,16 mg/L, med en maximal COD-avloppsvatten på 26,07 mg/L, fortfarande långt under 50 mg/L-standarden i GB 18918-2002, eftersom A2 Grad A-enheten bidrog mest till A2 Grad A-enheten. i den aeroba MBBR-tanken skapade en aerob miljö, vilket förbättrade den biokemiska kapaciteten hos aeroba mikroorganismer och stärkte avlägsnandet av COD. Dessutom gjorde recirkulationen av nitrifierad vätska i A2O-enheten det möjligt för den förbryllade anoxiska tanken att ytterligare utnyttja organiskt material i avloppsvattnet som en kolkälla, vilket avlägsnade en del av COD samtidigt som denitrifikationen förbättrades. Den kol-baserade våtmarken under ytan bidrog näst mest till COD-borttagningen. Dess anaeroba-anoxiska miljö bidrar till att använda organiskt material i avloppsvattnet som en kolkälla, vilket bryter ned en del av organiska ämnen samtidigt som den förbättrar denitrifikationen, vilket också är anledningen till att den hade bättre TN-borttagning. Vidare kan substratskiktet av våtmarken under ytan adsorbera en del organiskt material. Den ekologiska dammen hade begränsad effekt på COD-nedbrytningen. Den genomsnittliga inflytande COD för den ekologiska dammen var 22,21 mg/L, och de mest lättnedbrytbara organiska ämnen hade redan bryts ned, vilket lämnade organiskt material som är svårare att bryta ned.

Som visas iFigur 2 (d), eftersom avloppsvattenreningskapaciteten ökade, förblev koncentrationen av avloppsvatten TP stabil. Ökningen av reningskapaciteten för avloppsvatten påverkade inte TP-avlägsnandet nämnvärt. Den genomsnittliga koncentrationen av influent TP var 3,7 mg/L, och den genomsnittliga koncentrationen av avloppsvatten var 0,18 mg/L, med en genomsnittlig avlägsningshastighet på 95,14 %, vilket tyder på bra TP-avlägsnande. TP avlägsnades huvudsakligen i A2O-enheten. Koncentrationen av influent TP för A2O-enheten var 3,7 mg/L, och avloppsvattnet var endast 0,29 mg/L, bättre än 0,5 mg/L-standarden i GB 18918-2002 Grade A. Detta beror på att A2O-enheten inte bara hade biologisk fosforavlägsnande organism (accuphorus) utan också kompletterad med fosforavlägsnande organismer (accuphorusO) med kemiskt fosforavlägsnande genom att dosera 3,7 g/d PAC. Kombinationen av biologiskt och kemiskt fosforavskiljande resulterade i att över 90 % av fosforn togs bort i A2O-enheten. Våtmarken under ytan och den ekologiska dammen förlitade sig huvudsakligen på mekanismer som substratadsorption, sedimentering, växtupptag och mikrobiell nedbrytning för borttagning av fosfor. Dessutom var TP-koncentrationen som kom in i våtmarken redan så låg som 0,29 mg/L, vilket försvårade ytterligare avlägsnande. Dessa kombinerade orsaker ledde till den allmänna TP-avlägsnandet av våtmarken och den ekologiska dammen.

Därför, för att säkerställa stabil överensstämmelse med alla avloppsindikatorer med GB 18918-2002 Grade A-standarden, bestämdes den optimala avloppsvattenreningskapaciteten för denna process till 120 L/d.

2.2 Avlägsnande av föroreningar i den kombinerade processen

2.2.1 Prestanda för COD-borttagning

Som visas iFigur 3, under den övergripande testperioden för reningsprestanda (1 juli 2022 till 17 januari 2023, reningskapacitet för avloppsvatten 120 L/d), visade vattentemperaturen en fluktuerande nedåtgående trend och minskade från 32 grader till 0 grader . COD-borttagningshastigheten fluktuerade och minskningen av vattentemperaturen hade ingen uppenbar inverkan på COD-borttagningen. I kombination medFigur 4, varierade COD-avlägsningsgraden mellan 66,16%~82,51%, främst påverkad av inflytande COD-koncentration. Studier visar att under anaeroba/anoxiska förhållanden är COD-borttagning huvudsakligen beroende av mikrobiell verkan. A2O-MBBR+CWs-processen växlar mellan anaeroba-anoxiska-oxiska-anoxiska-oxiska tillstånd, vilket förbättrar COD-borttagningen. Under drift, när vattentemperaturen sjönk, även om inflödes-COD varierade från 80~136 mg/L, förblev COD-avloppsvattnet stabilt under 50 mg/L, vilket uppfyllde Grade A-standarden DB 34/3527-2019, vilket indikerar god organisk nedbrytning. A2O-sektionen bidrog mest till COD-borttagningen. Den förbryllade anaeroba-anoxiska kontakttanken hade en genomsnittlig COD-borttagningsgrad på 43,38 %, vilket motsvarar 65,43 % av det totala COD-avlägsnandet. Den aeroba MBBR-tanken hade en genomsnittlig borttagningsgrad på 14,69 %, vilket motsvarar 19,87 % av det totala antalet. A2O-sektionen bidrog med över 85 % till COD-avlägsnande, och gynnades av den stora specifika ytan av media i den förbryllade anaeroba tanken och aeroba MBBR-tanken, hög slamkoncentration och bildandet av en näringskedja från bakterier → protozoer → metazoer, som effektivt bryter ned organiskt material i vatten. Den höga biologiska mångfalden i IFAS-systemet säkerställde ett bra organiskt avlägsnande även vid temperaturförändringar. Dessutom skulle en del av det lösliga organiska materialet i avloppsvattnet i den förbryllade anaerob-anoxiska kontakttanken användas som en kolkälla genom denitrifiering av bakterier. Samtidigt ökade recirkulerad blandlut NO₃^--N-koncentration i den förbryllade anoxiska tanken, främjar utnyttjandet av kolkällor genom att denitrifiera bakterier för att omvandla NO₃^--N/NEJ₂^--N till kvävgas. Den höga COD-avlägsningshastigheten i den förbryllade anaeroba-anoxiska kontakttanken verifierar ytterligare att denna process effektivt kan utnyttja organiskt material i avloppsvatten som en denitrifieringskolkälla. Den kol-baserade underjordiska våtmarken hade en genomsnittlig COD-avlägsnandegrad på 7,18 %, vilket motsvarar 9,18 % av det totala COD-borttaget. Den anaeroba/anoxiska miljön i våtmarken under ytan bidrar till att mikroorganismer använder organiskt material som kolkälla, vilket uppnår COD-avlägsnande samtidigt som denitrifikationen förbättras. Relaterad forskning indikerar också att biokolfyllmedel kan adsorbera organiskt material genom elektrostatisk attraktion och intermolekylär vätebindning. Därför skulle slambiokolfyllmedlet i våtmarken under ytan också adsorbera en del organiskt material. Den nedsänkta växtekologiska dammen hade en genomsnittlig COD-borttagningshastighet på endast 3,68 % eftersom COD som kom in i dammen redan var låg på 30,59 mg/L i genomsnitt, och mestadels bestod av eldfasta organiska ämnen, avlägsnade huvudsakligen genom adsorption och växtupptag, med begränsad effekt.

2.2.2 Kväveavlägsnande prestanda

Som visas iFigur 3, eftersom vattentemperaturen gradvis minskade från 32 grader till 12 grader, TN och NH₄⁺-N borttagningsfrekvensen fluktuerade. Den genomsnittliga TN-borttagningsgraden nådde 75,61 % och den genomsnittliga NH₄⁺-N-borttagningsfrekvensen nådde 95,70 %. När vattentemperaturen sjönk under 12 grader, TN och NH₄⁺-N borttagningsfrekvenser visade en snabbt minskande trend, men den genomsnittliga borttagningsfrekvensen nådde fortfarande 58,56 % respektive 80,40 %. Detta beror på att säsongsbetonad vattentemperaturminskning hämmade mikrobiell aktivitet, vilket försvagade denitrifieringsprestandan. Enligt de statistiska resultaten av föroreningskoncentrationer av influens- och avloppsvatten under den kombinerade processperioden (1 juli 2022 till 17 januari 2023) som visas iTabell 3, den genomsnittliga inflytande TN och NH₄⁺-N-koncentrationerna var 36,56 mg/L respektive 32,47 mg/L. NH₄⁺-N stod för 88,81 % av TN. Inflytande NO₃^--N (0,01 mg/L) var nästan försumbar. Genomsnittligt avloppsvatten TN och NH₄⁺-N-koncentrationerna var 11,69 mg/L respektive 3,5 mg/L, båda uppfyllde Grade A-standarden DB 34/3527-2019. Det genomsnittliga avloppsvattnet NO₃^--N-koncentrationen var 6,03 mg/L, vilket indikerar god nitrifikationskapacitet för denna process, som omvandlar NH₄⁺-N till NO₃^--N. Men ackumuleringen av NO₃^--N i avloppsvattnet tyder på att det fortfarande finns utrymme för ytterligare denitrifiering. Som visas iFigur 5 (a), TN-borttagningen var högst i A2O-sektionen. Den förbryllade anaeroba-anoxiska kontakttanken hade en genomsnittlig TN-avlägsnandegrad på 44,25 %, och den aeroba MBBR-tanken hade en genomsnittlig TN-borttagningshastighet på 9,55 %. Detta är resultatet av den kombinerade verkan av nitrifierande bakterier i den aeroba zonen och denitrifierande bakterier i den anoxiska zonen. Den kol-baserade konstruerade våtmarken hade en genomsnittlig TN-avlägsnandegrad på 11,07 %, eftersom dess förmåga att frigöra kolkällor och dess anaeroba/anoxiska miljö bidrar till denitrifikation, vilket bibehåller en viss kväveavlägsnande kapacitet. Den nedsänkta växtekologiska dammen hade en genomsnittlig TN-avlägsnandegrad på endast 3,54 %, med allmän borttagningsprestanda, eftersom dess aeroba miljö inte främjar denitrifikation. Som visas iFigur 5 (b), NH₄⁺-N-borttagning slutfördes huvudsakligen i A2O-avsnittet. Den förbryllade anaeroba-anoxiska kontakttanken hade en NH₄⁺-N-avlägsnandegrad på 59,46 %, och den aeroba MBBR-tanken hade en NH₄⁺-N-borttagningsfrekvens på 24,24 %. A2O-sektionen stod för 93,57 % av den totala NH₄⁺-N borttagning. Den höga NH₄⁺-N-borttagning i A2O-sektionen beror på kontinuerlig luftning i den aeroba MBBR-tanken, vilket gör att nitrifierande bakterier kan utnyttja DO fullt ut för att omvandla NH₄⁺-N till NO₃^--N. Detta recirkuleras sedan till den anoxiska tanken, där denitrifierande bakterier omvandlar NO₃^--N till N2 för borttagning. Under testperioden var den genomsnittliga TN-borttagningsgraden 68,40 % och den genomsnittliga NH₄⁺-N-avlägsnandegraden var 89,45 %, vilket tyder på god kväveavlägsnande prestanda.

Som visas iFigur 3, när vattentemperaturen minskade från 32 grader till 0 grader, minskade TN-avlägsningsgraden från maximalt 79,19 % till 51,38 %. I kombination medFigur 5 (a), when water temperature was >20 grader översteg den genomsnittliga TN-avlägsningshastigheten 75%, med en genomsnittlig avloppskoncentration på 8,41 mg/L, eftersom mikrobiell aktivitet är högre i intervallet 20~32 grader, vilket leder till bättre denitrifiering, i enlighet med forskning av Zhang Na et al. När vattentemperaturen minskade från 20 grader till 5 grader minskade den genomsnittliga TN-avlägsningshastigheten till 65,44 % och den genomsnittliga avloppskoncentrationen ökade till 12,70 mg/L. När vattentemperaturen var 0 ~ 5 grader, minskade den genomsnittliga TN-avlägsningshastigheten till 52,75% och den genomsnittliga avloppskoncentrationen ökade till 17,62 mg/L, vilket indikerar en viss påverkan på TN-borttagningen. Studier visar att när vattentemperaturen minskar, hämmas mikrobiell aktivitet. När vattentemperaturen<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 grader, TN-borttagningsprestanda är bra, med avloppsvattnet stabilt under 15 mg/L. Vid denna tidpunkt, med tanke på avlägsnande av andra föroreningar, kan avloppsvattenreningskapaciteten ökas på lämpligt sätt.

Som visas iFigur 3, när vattentemperaturen gradvis minskade, NH₄⁺-Avskiljningshastigheten för kväve minskade från maximalt 99,52 % till minst 74,77 %, och avloppsvatten NH₄⁺-N-koncentrationen ökade från ett minimum av 0,17 mg/L till 8,40 mg/L. Sänkande vattentemperatur hämmar aktiviteten hos nitrifierande och nitriterande bakterier, vilket minskar NH₄⁺-N removal. However, when water temperature >12 grader, den genomsnittliga avloppsvatten NH₄⁺-N-koncentrationen var 1,58 mg/L. När vattentemperaturen är mindre än eller lika med 12 grader, den genomsnittliga avloppsvatten NH₄⁺-N-koncentrationen ökade till 6,58 mg/L, men utgående NH₄⁺-N uppfyllde alltid Grade A-standarden i DB 34/3527-2019. När vattentemperaturen var 20~32 grader, den genomsnittliga NH₄⁺-N-borttagningsfrekvensen översteg 96 %. I kombination medFigur 5 (b)avloppsvattnet NH₄⁺-N-koncentrationen var under 2 mg/L i detta intervall, vilket tyder på hög nitrifierande bakterieaktivitet och utmärkt total NH₄⁺-N borttagning. När vattentemperaturen gradvis minskade från 20 grader till 12 grader, den genomsnittliga NH₄⁺-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12 grader är lämplig för att nitrifiera bakterietillväxt, främja nitrifikation. Därför har NH₄⁺-N bibehöll höga borttagningshastigheter i intervallet 12~20 grader. När vattentemperaturen gradvis minskade från 12 grader till 0 grader, den genomsnittliga NH₄⁺-N-borttagningsfrekvensen nådde fortfarande 80 %. Befintlig forskning visar att nitrifierande bakterier nästan förlorar nitrifikationskapacitet vid 0 grader. Men resultaten av denna studie visar att även vid 0 grader , NH₄⁺-N-avlägsningshastigheten översteg 75 %, vilket indikerar god nitrifikationsprestanda för denna process vid låga temperaturer. Detta beror på att IFAS-systemet i A2O-MBBR-avsnittet i denna studie har en lång biofilmslamålder på upp till cirka 1 månad, vilket gör att nitrifikationshastigheten i den biokemiska tanken är mycket mindre påverkad av temperaturen än traditionella aktiverade slamprocesser, vilket avsevärt förbättrar nitrifikationsprestanda vid låga vintertemperaturer. Forskning av Wei Xiaohan et al. indikerar också att huvudorsaken till icke-kompatibel NH₄⁺-N effluent under låga vattentemperaturförhållanden är otillräcklig med aktiverat slamålder, varvid temperaturens inverkan på nitrifieringsaktiviteten är sekundär. Därför, även om sjunkande vattentemperatur påverkade nitrifieringsaktiviteten i viss utsträckning, säkerställde den tillräckliga slamåldern i denna process NH₄⁺-N-borttagning vid låga temperaturer. Under testperioden har det genomsnittliga avloppsvattnet NH₄⁺-N-koncentrationen var 3,50 mg/L, och den kombinerade processen uppvisade god och stabil nitrifikationsprestanda.

2.2.3 Fosforavlägsnande prestanda

Som visas iFigur 3TP-avlägsningshastigheten varierade lite med vattentemperaturförändringar, förblev stabil över 94%. I kombination medBild 6, koncentrationen av influent TP varierade från 3,03~4,14 mg/L, och koncentrationen av TP i utloppet varierade från 0,14~0,28 mg/L, vilket uppfyller Grade A-standarden DB 34/3527-2019. Denna process bygger på den kombinerade verkan av biologiskt fosforavlägsnande (genom PAO) och kemiskt fosforavskiljande (genom PAC). När vattentemperaturen sjunker hämmas PAO-aktiviteten, vilket påverkar biologiskt fosforavskiljande. Denna process kompletterar dock med kemiskt fosforavlägsnande genom att dosera 3,7 g/d PAC, upprätthålla en stabil TP-avskiljningshastighet och minska effekten av vattentemperaturförändringar på fosforavskiljningen i den kombinerade processen. A2O-enheten hade den bästa TP-borttagningsprestandan. Den anaeroba-anoxiska halten av TP-halten i enheten var 2,48 mg/L, med en avlägsningsgrad på 32,61 %. Den genomsnittliga TP-koncentrationen för aeroba enhetsavloppsvatten var 0,29 mg/L, med en avlägsningsgrad på 59,51 %. Den totala TP-avlägsnandet för A2O-enheten var 92,12 %. Den förbryllade utformningen av A2O-MBBR-sektionen kan till stor del ta bort nitratkväve som transporteras i den recirkulerade blandade luten, vilket gör att anaeroba PAO:er frigör fosfor mer grundligt i den anaeroba sektionen och absorberar fosfor mer fullständigt i den aeroba sektionen, vilket förbättrar den biologiska remofovalen. Dessutom bibehöll kemisk fosforborttagning genom dosering på ena sidan av den aeroba MBBR-tanken en stabil TP-avskiljningshastighet, med avloppskvaliteten stabilt bättre än Grade A-standarden DB 34/3527-2019. Biologiskt fosforavskiljande i A2O-MBBR-sektionen sker främst när PAO i den förbryllade anaeroba tanken använder kolkällor för att omvandla en del av det organiska materialet och flyktiga fettsyror till polyhydroxialkanoater (PHA). När avloppsvatten rinner från den förbryllade anaeroba tanken till den aeroba MBBR-tanken, använder PAOs sedan PHA som elektrondonatorer för att fullborda fosforupptaget. Den biologiska fosforavskiljningen påverkas dock lätt av PAO-aktivitet, och låg vattentemperatur begränsar PAO-aktiviteten. Därför, för att uppnå stabil fosforavskiljning, inkorporerades kemiskt fosforavskiljande i processdesignen. Dessutom absorberar substratskiktets adsorption i den kolbaserade underjordiska våtmarken och tillväxten av undervattensväxter i den ekologiska dammen också en del fosfor.

Sammanfattningsvis fungerade installationen stabilt under testperioden, med god total prestanda för borttagning av föroreningar. A2O-MBBR + CWs kombinerade process uppnådde genomsnittliga borttagningsgrader på 68,40 %, 89,45 %, 73,94 % och 94,04 % för TN, NH₄⁺-N, COD respektive TP. De genomsnittliga koncentrationerna av avloppsvatten var 11,69 mg/L, 3,50 mg/L, 26,9 mg/L respektive 0,22 mg/L, alla uppfyllde Grade A-standarden DB 34/3527-2019. Forskning av Wu Qiong et al. indikerar att A2O-MBBR är en sammansatt process av aktivt slam och biofilm, med stor mikrobiell mängd, lång slamålder, hög volymetrisk belastning, liten volym och fotavtryck, stark motståndskraft mot stötbelastningar, god avloppskvalitet och stabil drift. Dessutom är denitrifieringsprestandan för biofilmprocesser på vintern bättre än för aktiverade slamprocesser, vilket gör den mer lämpad för behandling av låg{15}}avloppsvatten på vintern. Detta är också huvudorsaken till den goda avlägsnandet av föroreningar i A2O-MBBR-sektionen i denna studie. Den kombinerade A2O-MBBR + CWs i denna studie lägger till en CWs poleringsbehandlingszon på basis av A2O-MBBR-processen, vilket ytterligare förbättrar den övergripande reningsprestandan och driftstabiliteten för processen. Avlägsnandet av TN och NH₄⁺-N påverkades mindre av säsongsbetonade vattentemperaturförändringar, medan avlägsnandet av COD och TP nästan inte påverkades av säsongens vattentemperatur. Under testperioden uppvisade den stark motståndskraft mot stötbelastningar, vilket gjorde den lämplig för användning på landsbygden med stora fluktuationer i hushållsavloppsvattenkvalitet och kvantitet.

2.3 Ekonomisk analys av den kombinerade processen

Kostnaderna för denna kombinerade process inkluderar huvudsakligen byggkostnader och driftskostnader för rening av avloppsvatten. Byggkostnaderna var för att sätta upp den experimentella installationen, inklusive inköp av tankkroppar, tillhörande elektrisk utrustning, media, nedsänkta anläggningar och rördelar, totalt cirka 3 000 CNY. Baserat på den maximala reningskapaciteten för avloppsvatten under experimentet på 0,18 m³/d, är byggkostnaden per m³ renat avloppsvatten cirka 16 700 CNY. Driftskostnader härrör huvudsakligen från installationsdrift, inklusive utrustningens energiförbrukning, kemikaliekostnader, kostnader för bortskaffande av slam och arbetskostnader. Elektrisk utrustning inkluderar: matningspump (effekt 2 W, Q=2.8 m³/d), recirkulationspump (effekt 2 W, Q=2.8 m³/d), luftare (effekt 5 W, luftningshastighet=5 L/min) och peristaltisk doseringspump (effekt 2 W). Beräknat utifrån faktisk maximal användningseffekt: matarpump 0,13 W, recirkulationspump 0,19 W, luftare 1,25 W, doseringspump 2 W. Total faktisk användningseffekt är 0,00357 kW, daglig effektförbrukning 0,086 kWh. Elförbrukningen per m³ renat avloppsvatten är 0,48 kWh. Med industriellt elpris på 0,7 CNY/kWh är elkostnaden 0,33 CNY/m³. PAC kemikaliekostnad är cirka 2,4 CNY/kg, användning 3,7 g/d. PAC krävs per m³ avloppsvatten är 20,56 g, kostnad 0,05 CNY/m³. Kostnad för bortskaffande av slam=slammängd × enhetsvolym kostnad för bortskaffande av slam. Torrslamproduktionen per ton vatten är 0,09 kg. Baserat på enhetspriset för transport och bortskaffande av kommunalt reningsverksslam på 60 CNY/ton, slambortskaffningskostnad per ton vatten=0.09 kg × 0,06 CNY/kg=0.054 CNY. Eftersom pilotinställningen endast krävde periodisk inspektion efter drift, uppskattades arbetskostnaden baserat på verklig ingenjörserfarenhet. En anläggning på 10 000 ton per dag drivs av 1~2 personer. Om man antar att en ensamståendes lön är 3 000 CNY/månad, för 2 personer är arbetskostnadsindikatorn cirka 0,02 CNY/ton vatten. Kostnadsinformation visas iTabell 4. Sammanfattningsvis är operationsbehandlingskostnaden cirka 0,46 CNY/m³. Men i takt med att avloppsvattenreningskapaciteten ökar skulle anläggnings- och driftkostnaderna per ton vatten minska. Bygg- och driftkostnaderna under pilottestet är endast för referens.

3. Slutsatser

A2O-MBBR + CWs kombinerade process visade goda resultat för rening av hushållsavloppsvatten på landsbygden. Avlägsnandet av TP och COD var i stort sett opåverkat av vattentemperaturförändringar. Den genomsnittliga borttagningsfrekvensen för 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 grader, avloppskvalitet skulle kunna uppfylla Grade A-standarden i GB 18918-2002 "Utsläppsstandard för föroreningar för kommunala avloppsreningsverk". Denna process kan effektivt utnyttja organiskt material i systemet som en kolkälla för att förbättra denitrifikationen, och bibehålla över 50 % TN-avlägsnande även vid vattentemperaturer så låga som 0 grader.

Den optimala reningskapaciteten för avloppsvatten för A2O-MBBR + CWs kombinerade process på vintern var 120 L/d och 180 L/d under icke-vintersäsonger. Säsongsbetonade vattentemperaturförändringar (som gradvis minskar från 32 grader till 0 grader) hade bara en viss inverkan på kvävereduktionen genom den kombinerade processen. Avlägsningsgraden för TN minskade från 79,19 % till 51,38 %, och NH₄⁺-N-borttagningsfrekvensen minskade från 99,52 % till 74,77 %. Även vid 0 grader uppfyllde avloppskvaliteten stabilt Grade A-standarden för DB 34/3527-2019, och NH₄⁺-N-borttagningsfrekvensen nådde fortfarande 74,77 %. Detta drar nytta av IFAS-systemet, där en slamålder på upp till 1 månad säkerställde nitrifikation vid låga temperaturer. Processen fungerade stabilt under testperioden och uppvisade starkt motstånd mot vattentemperaturförändringar.

Den förhandsbaserade A2O-MBBR-processen använde två typer av suspenderade biofilmsbärare för mikrobiell vidhäftning, vilket bildade ett IFAS-system. Den kol-baserade underjordiska våtmarken använde flera medier som fyllmedel inklusive slambiokol, kalksten och zeolit, vilket förbättrade dess filtreringsprestanda samtidigt som det gav gott om fästytor för mikroorganismer, vilket förbättrade dess biologiska behandlingskapacitet. Den initiala A2O-MBBR-processen med IFAS har hög biomassakoncentration. Den bakre CW:s kompositvåtmark fungerar som ett poleringsbehandlingssteg, som ytterligare behandlar avloppsvattnet, vilket gör det övergripande systemet mer motståndskraftigt mot stötbelastningar.

Den kombinerade processen A2O-MBBR + CWs är lämplig för rening av hushållsavloppsvatten på landsbygden med stora fluktuationer i kvalitet och kvantitet. Den fungerar stabilt och effektivt med en behandlingskostnad på cirka 0,46 CNY/m³. Dessutom kan A2O-MBBR+CWs processsektioner anpassas flexibelt enligt olika avloppsstandarder, scenarier och syften. Denna kombinerade process kan tillhandahålla datareferens och grund för reningsprojekt för hushållsrening på landsbygden i Kina, erbjuda en resursutnyttjandeväg för lediga ödemarker på landsbygden och har en bred marknadstillämpningspotential under den nationella trenden (med stor tonvikt på förbättringen av landsbygdens miljökvalitet.