Eliminarea azotului amoniac din apa de râu micro-poluată și din apele uzate combinate folosind ambalaje MBBR din diferite materiale
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) combină avantajele procesului cu nămol activat și procesului tradițional de biofilm, făcându-l o tehnologie inovatoare și revoluționară în tratarea biologică modernă a apelor uzate. Numeroase studii anterioare au arătat că procesul MBBR poate atenua în mod eficient presiunea de eliminare a azotului a apelor uzate urbane. Garniturile purtătoare bio-în procesul MBBR pot transporta biofilmul în întregul reactor, promovează contactul dintre biofilm, oxigen și substraturile de reacție și pot îmbunătăți eficiența reacțiilor de degradare. Datorită stabilității și caracteristicilor lor unice de densitate, acestea au perspective largi de aplicare.
În prezent, cele mai multe ambalaje MBBR bio-de transport sunt realizate în principal din materiale precum polietilena (PE), polipropilena (PP), poliuretanul (PU) și poliuretanul poros (PPC). Printre acestea, garniturile MBBR pe bază de PE-au un efect bun de îndepărtare asupra cromului, CODCr, azotului amoniac, azotului total, carbonului organic total și fenolilor volatili din apele uzate; Garniturile PP sunt utilizate în principal în procesele combinate MBBR, cum ar fi procesul combinat MBBR-AO și procesul combinat MBBR-MBR; Ambalajele din PU și PPC au porozitate ridicată, ceea ce poate oferi o zonă de atașare mai mare pentru microorganisme, permițând microorganismelor să crească rapid și stabil, eliminând astfel în mod eficient poluanții organici și diferiți nutrienți din apele uzate. Ambalajele PE și PPC sunt două tipuri utilizate pe scară largă în prezent. Ambalajele din PE sunt aplicate mai pe scară largă, cu performanțe mai bune, în timp ce garniturile PPC au o hidrofilitate mai puternică și o suprafață specifică mai mare, care sunt mai propice pentru atașarea microorganismelor. Ambele tipuri de ambalaje au propriile avantaje și dezavantaje și ambele au o rezistență mecanică bună și un cost scăzut. Cu toate acestea, există puține rapoarte cu privire la efectele lor de îndepărtare a azotului amoniac din apa de râu micro-poluată și apele uzate combinate-de apă pluvială în procesul cuplat MBBR-AO. Această lucrare explorează impactul adăugării diferitelor tipuri de bio-ambalaje MBBR (materiale PE și PPC) în procesul cuplat MBBR-AO asupra eficienței eliminării azotului amoniac din apa de râu micro-poluată și apele uzate-de pluviale combinate. Simultan, analizează rata de formare a biofilmului și durata de viață a diferitelor garnituri purtătoare de bio-MBBR, cu scopul de a îmbunătăți metodele specifice de selecție a diferitelor garnituri de purtător de bio-MBBR în procesul MBBR pentru tratarea apelor uzate.
1. Procesul de tratare a apelor uzate
1. 1 Fluxul de proces și detaliile de ambalare a transportatorului bio{-
Dispozitivul de tratare a apelor uzate utilizat în acest studiu este un reactor cu pat fluidizat biologic proiectat de sine stătător{-, care adoptă procesul cuplat MBBR-AO. Debitul principal al procesului este prezentat în Figura 1(a), iar echipamentul specific include o grilă, o pompă de ridicare, garnituri MBBR bio-portoare, un rezervor integrat de-eficiență ridicată a azotului biologic, un rezervor de sedimentare-de înaltă eficiență, un sistem de aerare, etc. Timpul de retenție hidraulică este de 5 ore, iar volumul efectiv al reactorului este de aproximativ 10 m³.
Ambalajele pentru transportul bio-MBBR din dispozitivul de tratare a apelor reziduale sunt garnituri pe bază de PE-și garnituri de transport cu gel PPC. Garniturile pe bază de PE-au formă de radiații inelare cu o dimensiune de Φ25 mm×10 mm, 19 găuri și canale pentagonale, cu o suprafață specifică de aproximativ 500 m²/m³ [Figura 1(b)]; garniturile suport de gel PPC sunt cubice cu o dimensiune de Φ10 mm×10 mm×10 mm și o suprafață specifică de aproximativ 5.000 m²/m³ [Figura 1(c)].
1.2 Calitatea apelor uzate
În acest studiu, dispozitivul de tratare a apelor uzate a fost utilizat pentru a trata două tipuri de corpuri de apă: ape micro-poluate de râu și ape pluviale combinate-. Apa râului micro-poluată provenea dintr-un râu urban dintr-o regiune din Zhejiang cu niveluri scăzute de poluare, iar concentrația sa de azot amoniac era relativ scăzută, cu o concentrație medie de masă de 5 mg/L. Apa pluvială combinată-canalizată a fost sursa de influență a două stații de pompare a apelor uzate (Stația de pompare 1 și Stația de pompare 2) a unei stații de epurare a apelor uzate din Zhejiang, cu o concentrație relativ mare de azot amoniac variind de la 3 la 20 mg/L. Acest lucru se datorează faptului că unii oxizi de azot din aer reacționează cu apa de ploaie pentru a forma acid azotic sau nitrați în timpul perioadei de precipitații, ceea ce este mai propice pentru reproducerea bacteriilor oxidante-amoniacului, rezultând un conținut relativ ridicat de azot amoniac în canalul rezidual. Între timp, valoarea pH-ului ambelor corpuri de apă a fost menținută între 7 și 9.
1.3 Parametrii de funcționare ai dispozitivului de tratare a apelor uzate
1.2.1 Procesul inițial de formare a biofilmului
Sistemul de epurare a apelor uzate a fost pornit prin adăugarea de ambalaje în loturi pentru formarea biofilmului. Conform efectului real de fluidizare al umpluturilor din reactor, s-a determinat că fracția de volum finală a umpluturilor adăugate este de 20%. În timpul procesului de-pornire, nămolul în suspensie din sistem nu a fost returnat, iar raportul de retur al nămolului în timpul epurării apelor uzate a fost de 1:8.
1.2.2 Controlul parametrilor de funcționare a dispozitivului
Dispozitivul de tratare a apelor uzate a funcționat la temperatura camerei (20 de grade). Echipamentul de aerare din partea inferioară a dispozitivului a fost folosit pentru a controla viteza de aerare în timpul epurării apelor uzate. Între timp, debitul de influenț al dispozitivului a fost controlat la 2 m³/h, iar alți parametri în timpul epurării apelor uzate au rămas practic consecvenți. Apele pluviale combinate-de la Stația de pompare 1 și Stația de pompare 2, precum și apa de râu micro-poluată, au fost selectate ca probe de apă influentă.
2. Rezultate și discuții
2.1 Rata de formare a biofilmului a ambalajelor MBBR cu diferite materiale
În timpul fazei-de pornire a dispozitivului de tratare a apelor uzate, calitatea apei influente a fost stabilă. După adăugarea umpluturilor în loturi, umpluturile au suferit formarea și maturarea normală a biofilmului.
În aceleași condiții de funcționare, rata de formare a biofilmului a ambalajelor bio-purtătoare cu diferite materiale a variat semnificativ datorită caracteristicilor lor inerente. Viteza de formare a biofilmului a ambalajelor pe bază de PE-a fost relativ lentă, necesitând adăugarea de substanțe chimice, cum ar fi glucoza, pentru cultura de aerare închisă. Prin observarea funcționării garniturilor PE și PPC în procesul cuplat MBBR-AO, s-a constatat că la aproximativ 5 zile după adăugarea garniturilor PE, pe suprafața purtătorilor a apărut un biofilm subțire gălbui-maro. După o funcționare continuă timp de aproximativ 1 săptămână, un număr mare de paramecie, epistylis, rotifere și o cantitate mică de vorticella au apărut pe suprafața purtătorului, ceea ce indică faptul că biofilmul era practic matur și că pornirea sistemului-a fost finalizată în acest moment. Dimpotrivă, rata de formare a biofilmului a ambalajelor PPC a fost mai rapidă, iar biofilmul a fost practic matur în aproximativ 3 zile, în timp ce nămolul putea fi adsorbit în interiorul ambalajelor. Formarea biofilmului ajută la îmbunătățirea activității bacteriilor-oxidante de amoniac. În comparație cu ambalajele din PE, suprafața specifică mare a ambalajelor PPC este mai favorabilă formării de biofilm și imobilizării microbiene. Pentru ambalajele din PE din același material care tratează diferite tipuri de ape uzate, efectul de formare a biofilmului a ambalajelor a arătat, de asemenea, diferențe semnificative. Din figura 2(a) se poate observa că pe suprafața garniturilor din PE în apa micro-poluată a râului a existat un biofilm subțire de culoare maro deschis. Cu toate acestea, Figura 2(b) arată că stratul de biofilm de pe suprafața garniturilor de PE din apele uzate combinate de apă pluvială-a fost fragmentat, ceea ce indică faptul că efectul de formare a biofilmului de garnituri de PE în apa de râu micro-poluată a fost semnificativ mai bun decât cel din apele pluviale combinate-. Se poate observa din Figura 2(c) și Figura 2(d) că diferența dintre efectul de formare a biofilmului al împachetărilor PPC în apa micro-poluată a râului și în apele uzate combinate-de apele pluviale nu a fost semnificativă.
2. 2 Capacitatea de eliminare a azotului de amoniac a ambalajelor bio-purtătoare cu diferite materiale
Conținutul de azot de amoniac este un indicator cheie pentru evaluarea efectului real de tratare a apelor uzate din stațiile de pompare. Prin urmare, capacitatea de îndepărtare a azotului de amoniac are o importanță practică importantă de ghidare pentru selectarea tipurilor de ambalare a purtătorului bio-în procesul cuplat MBBR-AO.
2. 3 Efectul de eliminare a azotului amoniac al ambalajelor PE și PPC asupra apei micro-poluate de râu în timpul funcționării pe termen scurt-a procesului
După cum se arată în Figura 3, concentrațiile medii de azot amoniac influent ale procesului cuplat MBBR-AO cu umpluturi PE și PPC au fost de 3,69 mg/L și, respectiv, 3,39 mg/L. Între timp, concentrația reală de azot amoniac influent a fluctuat semnificativ, ceea ce a fost cauzat de precipitații. În procesul cu garnituri PE, cantitatea medie de îndepărtare a azotului amoniac și rata medie de îndepărtare a apei de râu micro-poluate au fost de 3,12 mg/L, respectiv 84,55%, care au fost mai mari decât cele ale procesului cu garnituri PPC (2,56 mg/L și 75,52%). Acest lucru indică faptul că adăugarea de garnituri de PE în procesul cuplat MBBR-AO este mai favorabilă pentru eliminarea azotului amoniac din apa micro-poluată de râu pe termen scurt (în decurs de 12 zile).
2.4 Efectul de eliminare a azotului amoniac al ambalajelor PE și PPC asupra apei pluviale combinate-canalizate în timpul funcționării-pe termen scurt a procesului
După cum se arată în Figura 4, în timpul funcționării pe termen scurt (18-zi) a procesului MBBR{-AO cuplat cu garnituri de PE, concentrațiile medii de azot amoniac influent ale apei pluviale combinate-de la stația de pompare 1 [Figura 4(a)] și la stația de pompare [Figura 4(a)] [Figura 4(a)] [Figura 4(a)] și stația de pompare au fost mg47/2. 9,35 mg/L, respectiv. Când s-au adăugat garnituri de PE în tratamentul pe termen scurt (18-zi) al apelor pluviale combinate-de la Stația de pompare 1 și Stația de pompare 2 folosind procesul cuplat MBBR-AO, concentrația de azot amoniac din efluent a scăzut semnificativ. Cantitățile medii de îndepărtare a azotului de amoniac au fost de 6,93 mg/L și 7,9 mg/L, cu rate medii de îndepărtare de 95,71% și, respectiv, 84,49%. În timpul tratării pe termen scurt (18-zi) a apei pluviale combinate-de la Stația de pompare 1, rata de eliminare a azotului amoniac a rămas peste 90% și a atins aproape 100% în a 9-a zi. Apele uzate tratate pot fi mai favorabile pentru creșterea microorganismelor atașate, promovând astfel îndepărtarea azotului amoniac. Între timp, în timpul tratării pe termen scurt (18 zile) a apei pluviale combinate de la stația de pompare 2, rata de eliminare a azotului amoniac a rămas în cea mai mare parte în jur de 90%, ceea ce indică faptul că adăugarea de garnituri de PE în procesul cuplat MBBR-AO are un efect puternic de eliminare pe termen scurt asupra azotului de amoniac în apă pluvială combinată (18 zile).
După cum se arată în figura 5, în procesul cuplat MBBR-AO cu împachetari PPC, concentrațiile de masă de azot amoniac influent ale apei pluviale combinate-de la stația de pompare 1 [Figura 5(a)] și stația de pompare 2 [Figura 5(b)] au variat între 3 și 20 mg/2, respectiv 3 mg/2 l, cu fluctuații mari. Acest lucru se poate datora precipitațiilor care determină intrarea oxizilor de azot din aer în sistemul de canalizare, ducând la fluctuații semnificative ale concentrației de azot amoniac influent. Concentrațiile medii în masă de azot amoniac influent ale apei pluviale combinate-de la Stația de pompare 1 și de la Stația de pompare 2 au fost de 14,76 mg/L și, respectiv, 13,26 mg/L. După un tratament pe termen scurt (24 de zile) prin procesul MBBR-AO cuplat cu ambalaje PPC, concentrația de azot amoniac din efluent a scăzut semnificativ, cu concentrații medii de masă de numai 5,32 mg/L și 6,42 mg/L. Cantitățile medii de îndepărtare a azotului amoniac au fost de 9,44 mg/L și 6,84 mg/L, iar ratele medii de îndepărtare au fost de 63,96% și, respectiv, 51,58%. Acest lucru indică faptul că ambalajele PPC au un anumit efect asupra eliminării azotului amoniac din apele uzate-de apă pluvială combinată. Concentrația mare de azot amoniac în apele uzate combinate-de apă pluvială se poate datora introducerii altor componente complexe în ape uzate, inhibând astfel degradarea azotului amoniacal de către ambalajele PPC. În comparație cu garniturile din PE, ambalajele PPC au pori mai mici și porozitate mai mare. Impuritățile și particulele în suspensie din apele uzate combinate-de apă pluvială pot bloca porii ambalajelor PPC, ducând la aglomerarea în interiorul ambalajelor și reducând astfel eficiența de îndepărtare a azotului amoniac. Între timp, studiile anterioare au constatat că biofilmele mai mici de 1 mm pot provoca blocarea porilor în interiorul garniturilor. Deși biofilmele pot accelera blocarea internă a garniturilor, ele nu sunt factorul principal.
În timpul funcționării pe termen scurt a procesului cuplat MBBR-AO, ratele medii de îndepărtare a azotului amoniac al ambalajelor PE pentru apele pluviale combinate-canal (95,71% pentru Stația de pompare 1 și 84,49% pentru Stația de pompare 2) au fost ușor mai mari decât cele pentru apa micropoluată. În schimb, ratele medii de eliminare a azotului amoniac al ambalajelor PPC pentru apele pluviale combinate-(63,96% pentru Stația de pompare 1 și 51,58% pentru Stația de pompare 2) au fost ușor mai mici decât cele pentru apa de râu micro-poluată (75,52%). Pentru ambalajele din PE, în comparație cu apa de râu micro-poluată, concentrația scăzută de oxigen dizolvat în apele pluviale combinate-conduce mai mult nitrificarea și denitrificarea simultană a microorganismelor pe ambalajele din PE pentru îndepărtarea azotului. În timpul formării biofilmului de ambalaje PPC, nămolul este adsorbit în interiorul garniturilor, ceea ce duce la o creștere a concentrației de oxigen dizolvat, ceea ce nu conduce la nitrificarea și denitrificarea simultană a microorganismelor interne, ducând la o scădere a ratelor de îndepărtare a azotului amoniac atât în apele pluviale combinate, cât și în apele de râu micropoluate.
În rezumat, adăugarea de garnituri de PE este mai favorabilă la degradarea azotului amoniac în apele pluviale combinate-de către procesul cuplat MBBR-AO pe termen scurt.
Efectul de eliminare a azotului de amoniac al ambalajelor PE și PPC asupra apei pluviale combinate-canalizate în timpul funcționării-pe termen lung a procesului
După cum se arată în Figura 6, în timpul funcționării pe termen lung (96-zi) a procesului MBBR{-AO cuplat cu garnituri de PE, concentrațiile de masă de azot amoniac influent ale apei pluviale combinate-de la stația de pompare 1 [Figura 6(a)] și stația de pompare variază de la (2) la [b] [fig. mg/L și, respectiv, 3 până la 35 mg/L, cu fluctuații mari. Concentrațiile medii de azot amoniac influent în masă au fost de 10,20 mg/L și, respectiv, 8,93 mg/L. După tratarea prin procedeul cuplat MBBR-AO, concentrațiile medii de azot amoniac în efluent au scăzut la 2,93 mg/L și 2,67 mg/L, cu cantități medii de îndepărtare de 7,27 mg/L și 6,26 mg/L și rate medii de eliminare de 71,27% și respectiv 71,27,1%, respectiv 6,26 mg/L. Nu a existat nicio diferență semnificativă în degradarea azotului amoniac în apele pluviale combinate-de la stația de pompare 1 și stația de pompare 2 prin adăugarea de umpluturi PE în timpul funcționării pe termen lung (96{{33}zile) a procesului cuplat MBBR{-AO, iar rata de eliminare a amoniacului a fost menținută în jurul valorii de 74%. Acest lucru indică faptul că adăugarea de garnituri de PE în procesul cuplat MBBR-AO are un efect bun de îndepărtare a azotului amoniac din apele uzate combinate-de apă pluvială în timpul funcționării pe termen lung (96-zi). Când procesul cuplat MBBR-AO cu umpluturi PE a funcționat în etapa ulterioară (84-96 de zile), indiferent dacă influentul a fost combinat apă pluvială-canal de la Stația de pompare 1 sau de la Stația de pompare 2, concentrația de azot amoniac efluent a crescut semnificativ, iar rata de îndepărtare a azotului amoniac a fost semnificativ mai mică decât rata de eliminare a procesului de aproape 90% în etapa incipientă. Acest lucru se datorează faptului că, după utilizare pe termen lung, garniturile din PE în sine sunt deteriorate și îmbătrânite, iar rugozitatea suprafeței acestora se modifică, ceea ce duce la o scădere a rezistenței la serviciu și a capacității de îndepărtare a azotului amoniac.
Figura 7 arată modificările concentrației de azot amoniac influent, concentrația de azot amoniac efluent, cantitatea de îndepărtare a azotului amoniac și rata de eliminare a azotului amoniac în timpul funcționării pe termen lung a procesului cuplat MBBR-AO cu garnituri PPC. Concentrațiile masice de azot amoniac influent ale apei pluviale combinate-de la Stația de pompare 1 [Figura 7(a)] și Stația de pompare 2 [Figura 7(b)] au variat de la 3 la 35 mg/L, cu concentrații medii de azot amoniac influent de 10,96 mg/L și, respectiv, 8,1 mg/L. După tratarea prin procedeul cuplat MBBR-AO, concentrațiile medii de azot amoniac în efluent au scăzut la 3,96 mg/L și 3,39 mg/L, cu cantități medii de îndepărtare de 7,00 mg/L și 4,71 mg/L și rate medii de îndepărtare de 63,87% și respectiv 63,87,1%, respectiv 4,71 mg/L. În timpul funcționării pe termen lung a procesului cuplat MBBR-AO, adăugarea de garnituri PPC a avut un efect de degradare puțin mai bun asupra azotului amoniac în apele uzate combinate-de la stația de pompare 1 decât cea de la stația de pompare 2, dar diferența nu a fost semnificativă. Acest lucru indică faptul că adăugarea de garnituri PPC în procesul cuplat MBBR-AO are un anumit efect de îndepărtare a azotului amoniac din apele uzate-de apă pluvială combinată în timpul funcționării-pe termen lung. Rata de eliminare a azotului de amoniac a procesului cuplat MBBR-AO cu garnituri PPC în timpul funcționării pe termen lung-a fost mai mare decât în timpul funcționării pe termen scurt-. Acest lucru se datorează faptului că, în timpul funcționării pe termen lung,-nămolul se acumulează în interiorul ambalajelor PPC, formând un mediu local anaerob sau anoxic, care oferă un mediu de viață adecvat pentru activitățile de viață ale bacteriilor nitrificante. Bacteriile nitrificatoare se reproduc rapid, iar viteza de reacție locală se accelerează
În rezumat, adăugarea de garnituri din PE este mai favorabilă la degradarea azotului amoniac în apele pluviale combinate-canalizate prin procesul cuplat MBBR-AO în timpul funcționării pe termen lung-. Între timp, garniturile din PE ar trebui să fie înlocuite sau curățate în timp util după utilizare pe termen lung-pentru a se asigura că azotul de amoniac din canalizarea poate fi în continuare îndepărtat eficient în timpul funcționării pe termen lung a procesului cuplat MBBR-AO.
Durata de viață a ambalajelor de transport bio-cu diferite materiale
În comparație cu garniturile PPC, garniturile din PE au o durată de viață mai lungă în timpul-tratării pe termen lung a apei de râu micro-poluate și a apelor uzate combinate-de apele pluviale prin procesul cuplat MBBR-AO. După cum se arată în Figura 8(a), ambalajele PPC suferă zgură și deteriorare în timpul procesului de tratare a apelor uzate prin procesul cuplat MBBR-AO. Între timp, îmbătrânirea și aglomerarea apar în interiorul ambalajelor după o funcționare pe termen lung -[Figurile 8(b) și 8(c)]. Ambalajele PPC au o permeabilitate slabă la nămol. Deși buretele-precum garniturile PPC au o suprafață specifică mare, porii lor interni sunt ușor adsorbiți de nămol și sunt greu de scurs. Acumularea-de nămol pe termen lung în interiorul garniturilor tinde să formeze un mediu anaerob sau anoxic, determinând schimbarea treptată a culorii garniturilor de la maro la negru. Acest lucru duce la probleme precum zgura, spargerea, îmbătrânirea și aglomerarea ambalajelor PPC în timpul funcționării pe termen lung-, scurtând astfel durata de viață a acestora. Acesta este, de asemenea, principalul factor pentru efectul slab al ambalajelor PPC în eliminarea azotului amoniac din apele uzate combinate-de apă pluvială [Figurile 5(a) și 5(b)]. În schimb, garniturile din PE nu au avut problemele de mai sus în timpul-tratării pe termen lung a apelor uzate prin procesul cuplat MBBR-AO, cu o durabilitate mai bună și o durată de viață mai lungă. O configurație rezonabilă de purtător poate tampona eficient impactul fluxului de apă asupra biofilmului, permițând biofilmului să crească stabil fără a fi deteriorat.
Concluzii
În acest studiu, au fost adăugate garnituri de transport pe bio-PE și garnituri PPC în timpul procesului de tratare a apelor uzate al procesului cuplat MBBR-AO. Au fost investigate efectele materialelor de ambalare asupra degradării azotului de amoniac în apa de râu micro-poluată și în apele uzate combinate-de pluviale, precum și rata de formare a biofilmului microbian și durata de viață a ambalajelor cu diferite materiale. În comparație cu garniturile PPC, garniturile din PE au o rată de formare a biofilmului mai lentă, dar o durată de viață mai lungă. Între timp, indiferent dacă sunt utilizate în tratamentul pe termen lung sau pe termen scurt-a apei de râu micro-poluate și a apelor pluviale combinate-de către procesul cuplat MBBR-AO, garniturile din PE prezintă efecte de degradare mai bune asupra azotului amoniac. Rezultatele cercetării oferă suport tehnic pentru selectarea materialelor de ambalare în procesele de tratare a apelor uzate.