Študija o učinkovitosti odstranjevanja dušika MBBR za Quasi-IV nadgradnjo čistilnih naprav na jugozahodu Kitajske pozimi

Študija o učinkovitosti odstranjevanja dušika MBBR za Quasi-IV nadgradnjo čistilne naprave na jugozahodu Kitajske pozimi

Jugozahodna regija Kitajske je obsežna, s precejšnjimi razlikami v podnebju in geoloških razmerah. Široki viri kakovosti odpadne vode povzročajo velika nihanja kakovosti vode. Čeprav se ta regija nahaja na jugu, lahko zaradi splošne visoke nadmorske višine in terena temperatura odpadne vode v hladni zimski sezoni pade pod 10 stopinj. V kombinaciji s kompleksnim reliefom regije, s prepletenimi gorami in globokimi dolinami, griči in ravninami ter velikimi temperaturnimi razlikami med dnevom in nočjo, je očitno tudi dnevno nihanje temperature odpadne vode. Kompleksne dotočne značilnosti in prenizka temperatura vode pozimi postavljajo višje zahteve pri projektiranju in obratovanju čistilnih naprav v tej regiji. Glede na nadgradnjo in rekonstrukcijo gospodinjskih čistilnih naprav je še toliko bolj pomembno izbrati ustrezen postopek čiščenja za nadgradnjo v jugozahodnih napravah, da se zagotovi stabilna skladnost v sezoni nizkih-temperatur.

Postopek biofilmskega reaktorja s premikajočo se posteljo (MBBR) z dodajanjem visečih nosilcev v fiksno območje izboljša obogatitev funkcionalnih bakterij in poveča odpornost na nizke-temperature. Veliko se uporablja pri projektih nadgradnje čistilnih naprav. Trenutno je obseg uporabe postopka MBBR na Kitajskem presegel 2,5 × 10⁷ m³·d⁻¹, MBBR pa je bil vključen kot "široko uporabljen ter varen in zanesljiv postopek" v na novo revidiranem "Standardu za načrtovanje zunanje drenaže" (GB 50014-2021). Razširjena uporaba postopka je spodbudila tudi hitre{10}}nadaljnje raziskave. Raziskovalne žariščne točke procesa MBBR se osredotočajo predvsem na analizo načrtovanja procesa, raziskave laboratorijskih mehanizmov in sledenje inženirskim učinkom. Ustrezni sklepi v glavnem vključujejo MBBR, ki povečuje biokemično učinkovitost, biofilm, ki izboljšuje odpornost na udarce in povečuje odpornost na nizke-temperature, MBBR, ki povečuje funkcionalno obogatitev z bakterijami, in biofilm SND, ki povečuje odstranjevanje dušika. Na primer, Huang Qing et al. ugotovili, da se je po nadgradnji s postopkom MBBR odpornost čistilne naprave na udarce bistveno izboljšala, iztok pa lahko še vedno stabilno izpolnjuje standarde tudi pri dolgotrajnem prekoračitvi BPK in TN. Liu Qiang et al. ugotovili, da je postopek MBBR znatno povečal zmogljivost čiščenja naprave pri nizkih temperaturah, iztok pa lahko stabilno izpolnjuje projektne standarde pri nizkih temperaturah 9–11 stopinj. Luan Zhixiang et al. ugotovili, da lahko po nadgradnji severne čistilne naprave s postopkom MBBR aerobno območje MBBR odstrani 20,12 % TN prek SND suspendiranih nosilcev. Han Wenjie idr. je primerjal pet komunalnih čistilnih naprav s hibridnimi postopki MBBR v regiji delte reke Jangce pri nizkih zimskih temperaturah in ugotovil, da je dodatek suspendiranih nosilcev znatno povečal biomaso nitrifikacijskih bakterij v sistemu, pri čemer suspendirani nosilci obogatijo 86.12%–95,36% nitrifikacijskih bakterij. Vendar imajo obstoječe raziskave še vedno določene omejitve. Na primer, veliko število študij ločuje zasnovo MBBR od operativne učinkovitosti, pri čemer manjka primerjalno preverjanje zasnove in učinkovitosti za isti projekt. Glede udarne odpornosti MBBR so na voljo samo "kvalitativni, ne pa tudi kvantitativni" zaključki, brez kvantitativnega sklepanja o največji tolerančni obremenitvi. Kar zadeva pojav SND, je le "merljiv, vendar ne nadzorovan", manjka neposredno preverjanje vira odstranitve dušika z načrtovanimi makro poskusi, niti predlogi za racionalno delovanje z vidika inženirskega nadzora.

Na podlagi omejitev obstoječih raziskav ta študija vzame nadgradnjo čistilne naprave za odpadne vode CASS na jugozahodu Kitajske kot primer za razlago načel oblikovanja in logike procesa MBBR. V kombinaciji z dejansko zmogljivostjo sistema v najneugodnejših zimskih razmerah je bila analizirana racionalnost zasnove MBBR. Potencial čiščenja sistema je bil kvantitativno analiziran s spremembami kakovosti vode vzdolž biološkega rezervoarja in visoko{2}}laboratorijskimi testi substrata. Denitrifikacijski laboratorijski test z uporabo aerobnega biofilma je bil zasnovan za neposredno preverjanje vira pojava SND v hibridnem sistemu MBBR. Preučevali so vpliv tehničnih delovnih parametrov na učinek SND sistema MBBR in v kombinaciji s prilagajanjem podatkov predlagali predloge za optimizacijo delovanja SND. Razlike v porazdelitvi mikrobne skupnosti med blatom in biofilmom so bile analizirane z vidika bakterijske sestave, mikroskopski vplivni dejavniki SND pa so bili analizirani glede na vrste in relativno številčnost aerobnih denitrifikacijskih bakterij. Upamo, da bo ta raziskava lahko zagotovila referenco za načrtovanje procesa MBBR drugih podobnih čistilnih naprav, zagotovila osnovne podatke za stabilno delovanje naprav MBBR in zagotovila predloge za delovanje za učinkovito delovanje SND v sistemih MBBR.

1 Materiali in metode

1.1 Pregled projekta

Naprava za čiščenje odpadne vode na jugozahodu Kitajske s projektno zmogljivostjo 1×10⁵ m³·d⁻¹ je morala iztočna voda izpolnjevati standard razreda A "Standard izpusta onesnaževal za komunalne čistilne naprave" (GB 18918-2002). Zaradi omejitev rabe zemljišč med zgodnjo gradnjo je bil sprejet postopek CASS brez tradicionalnih sekundarnih usedalnikov. Med obratovanjem pa so se pojavile težave, kot so nezadostna nitrifikacija pri nizkih zimskih temperaturah, slaba usedljivost blata in zmanjšana učinkovitost čiščenja. Leta 2019 je bil obrat nadgrajen na kvazi standarde razreda IV. Pri nadgradnji je bilo treba upoštevati tako povečanje koncentracije dušika v dotoku kot izboljšanje standardov odplak. Projektirana kakovost dotoka in odtoka pred in po rekonstrukciji je prikazana vTabela 1. Na podlagi tega, da sta se vstopni obremenitvi NH3-N in TN povečali za 66,67 % oziroma 62,16 %, je bilo treba iztočni ogljik, dušik, fosfor itd. nadgraditi iz razreda A GB 18918-2002 v razred IV "Okoljskih standardov kakovosti za površinsko vodo" (GB 3838-2002), kar je enakovredno povečanju nitrifikacijske in denitrifikacijske obremenitve za 127,27 % oziroma 94 %. Ta projekt je sprejel postopek Bardenpho-MBBR, pri čemer je originalni rezervoar CASS pretvoril v biološki rezervoar in sedimentacijski rezervoar.

Po rekonstrukciji je pri odstranjevanju dušika glavno vlogo še naprej imelo aktivno blato. Denitrifikacijski zadrževalni čas prvotnega rezervoarja CASS je bil podaljšan s 3,78 h na 6,35 h, denitrifikacijska volumetrična obremenitev aktivnega blata pa se je povečala z 0,140 na 0,189 kg·(m³·d)⁻¹. Za izboljšanje denitrifikacije aktivnega blata so bile postavljene pred-anoksične in post-anoksične cone z retencijskimi časi 4,23 h oziroma 2,12 h. Post{11}}anoksična cona je uporabila dodatek zunanjega vira ogljika za izboljšanje denitrifikacije in tako rešila problem nezadostnega vira ogljika v surovi vodi. Za nitrifikacijo je bil zadrževalni čas nitrifikacije prvotnega rezervoarja CASS zmanjšan s 7,55 h na 4,23 h, medtem ko je bilo treba nitrifikacijsko obremenitev močno povečati z 0,079 na 0,275 kg·(m³·d)⁻¹. Za povečanje učinka nitrifikacije smo v aerobno cono dodali suspendirane nosilce, da smo oblikovali aerobno MBBR cono. Uporabljeni nosilci so bili tipa SPR-III s premerom (25±0,5) mm in debelino (10±1) mm. Po pritrditvi biofilma je bila gostota blizu gostote vode, efektivna specifična površina pa je bila večja od 800 m²·m⁻³, kar je v skladu z industrijskim standardom "visoke -visoke gostote polietilenski viseči nosilec za obdelavo vode" (CJ/T461-2014). Biofilm na visečih nosilcih je bil po pritrditvi temno siv (Slika 1). Območje MBBR je uporabljalo samo perforirano prezračevanje za zagotavljanje hidravličnega striženja, nadzor debeline biofilma pri (208,82±37,57) μm, kar zagotavlja dobre pogoje za prenos mase in prenos kisika.

1.2 Določanje odstranitve dušika v biološki posodi

Da bi razumeli pot odstranjevanja dušika v vsakem funkcionalnem območju biološkega rezervoarja pri nizkih zimskih temperaturah po rekonstrukciji, smo kakovost vode vzdolž biološkega rezervoarja dnevno spremljali od 15. decembra 2020 do 22. decembra 2020. V tem obdobju je bila temperatura vode v biološkem rezervoarju 9,5–10,2 stopinje. Vzorci so vključevali dotok biološkega rezervoarja, odtok anaerobne cone, odtok anoksične cone, odtok MBBR cone, odtok post-anoksične cone, odtok post-aerobne cone in odtok sedimentacijske posode. Vzorci so bili odvzeti vsake 2–3 ure. Po odvzemu so bili vzorci takoj predobdelani. Po sedimentaciji smo zbrali supernatant in tri vzorce zmešali v enakih količinah, da smo določili NH3-N, NO3-N, TN in COD, s čimer smo preverili pot odstranjevanja onesnaževal in nitrifikacijsko/denitrifikacijsko obremenitev vsake funkcionalne cone.

1.3 Določitev nitrifikacijskega potenciala sistema MBBR in stopnje prispevka visečih nosilcev

Za preverjanje največje tolerančne obremenitve obstoječega sistema MBBR je bil 27. in 28. februarja 2021 izveden laboratorijski test nitrifikacije. Viseči nosilci in aktivno blato iz aerobne cone obrata so bili dnevno zbrani za simulacijo odpornosti sistema MBBR na udarce, ko se je vtočna obremenitev pozimi povečala. Laboratorijski test je simuliral dejanski vpliv območja MBBR vzdolž poti toka. Uporabili smo supernatant efluenta anoksične cone po sedimentaciji, NH3-N in alkalnost pa smo dopolnili z dodatkom amonijevega klorida in natrijevega bikarbonata kot vtoka za preskus. Naprava za testiranje nitrifikacije je prikazana vSlika 2. Čisti-biofilm, čisto-blato in hibridni sistemi so bili postavljeni zaporedoma. Koncentracija blata in razmerje polnjenja nosilca sta bila skladna z dejanskimi pogoji biološkega rezervoarja. Da bi v celoti izkoristili nitrifikacijski potencial sistema MBBR ter povečali prenos mase in prenos kisika, je bila dotočna koncentracija NH3-N povečana s približno 10 mg·L⁻¹ vzdolž poti pretoka na približno 25 mg·L⁻¹, DO pa je bil povečan z 2–4 mg·L⁻¹ vzdolž poti pretoka na približno 6–7 mg·L⁻¹. Med preskusom je bila temperatura vode 9,7–10,4 stopinj. Prezračevalne črpalke in generatorji valov so bili uporabljeni za vzdrževanje oksigenacije sistema in fluidizacije nosilca. Vzorce smo jemali vsakih 30 minut in jih predhodno obdelali, da bi določili spremembo koncentracije dušika v amoniaku. V skladu s prijavljenimi metodami je metoda izračuna obremenitve biofilma v hibridnem sistemu MBBR prikazana v enačbah (1) in (2).

Kjer je: N₂ nitrifikacijska volumetrična obremenitev biofilma v hibridnem sistemu, kg·(m³·d)⁻¹; N₁ celotna nitrifikacijska volumetrična obremenitev hibridnega sistema MBBR, kg·(m³·d)⁻¹; N₃ nitrifikacijska volumetrična obremenitev aktivnega blata, kg·(m³·d)⁻¹; η stopnja prispevka nitrifikacije suspendiranih nosilcev, %.

1.4 Verifikacija in analiza nadzora optimizacije SND v sistemu MBBR

Za pojav hkratne nitrifikacije in denitrifikacije (SND) v sistemu MBBR, da bi neposredno preverili vir učinka SND, je bil 28. februarja 2021 izveden laboratorijski test denitrifikacije z uporabo čistega biofilma MBBR. Zbrani so bili viseči nosilci iz aerobne cone. Razmerje polnjenja nosilca je bilo skladno z dejanskimi pogoji biološkega rezervoarja. Vtok za test smo pripravili z dodajanjem kalijevega nitrata v vtok surove vode rastline. Vzorce smo jemali vsakih 20 minut in jih predhodno obdelali za določitev koncentracije nitratnega dušika.

Od 1. decembra 2020 do 28. februarja 2021 so vso zimo dnevno spremljali kakovost vode in obratovalne parametre cone MBBR po rekonstrukciji. Vzorci so vključevali efluent anoksične cone in efluent MBBR cone. Vzorci so bili odvzeti vsake 2–3 ure. Po odvzemu so bili vzorci takoj predobdelani. Po sedimentaciji smo zbrali supernatant in tri vzorce zmešali v enakih količinah, da smo določili TN, NH3-N, NO3-N in KPK. Hkrati je bila izmerjena raven DO v aerobni MBBR coni. Izmerjeni podatki so bili izpostavljeni analizi glavnih komponent (PCA), da se preverijo glavni parametri odziva, ki vplivajo na učinek SND v aerobnem območju. Optimalni nadzorni parametri so bili določeni z analizo prilagajanja, da bi zagotovili osnovo za-nadzor nad SND.

1.5 Visoko{1}}sekvenciranje mikroorganizmov v čistilni napravi

Za analizo razlik med fazami blata in biofilma v sistemu MBBR v smislu mikrobne raznolikosti, prevladujočih vrst in učinkovitosti obogatitve s funkcionalnimi bakterijami ter za mikroskopsko preverjanje vira SND smo 28. februarja 2021 zbrali aktivno blato in suspendirane nosilce iz sistema MBBR z enim nizom vzporednih vzorcev za visoko{2}}prepustno sekvenciranje 16S amplikoni rDNA. V tem času je sistem preživel celotno zimo in sestava mikrobne skupnosti je lahko bolje odražala dejansko stanje pri nizkih-temperaturnih pogojih. Posebne metode za določanje in analizo visoke-prepustnosti se sklicujejo na predhodno objavljeno literaturo.

1.6 Konvencionalne metode določanja kakovosti vode

Vsi parametri kakovosti vode, vključeni v to študijo, so bili določeni s standardnimi metodami. KPK je bila določena z nacionalno standardno metodo; NH3-N smo določili z Nesslerjevo reagentno spektrofotometrično metodo; NO₃-N smo določili z ultravijolično spektrofotometrično metodo; TN smo določili z alkalno razgradnjo s kalijevim persulfatom-UV spektrofotometrično metodo; TP smo določili s spektrofotometrično metodo z amonijevim molibdatom; DO in temperaturo vode smo izmerili s prenosnim merilnikom raztopljenega kisika.

2 Rezultati in razprava

2.1 Splošni učinek zdravljenja pri nizkih-temperaturnih pogojih pred in po rekonstrukciji

Najprej je bil primerjan celoten učinek čiščenja sistema pri nizkih zimskih temperaturah pred in po rekonstrukciji (2018-12-01 do 2019-02-28, 2020-12-01 do 2021-02-28). Pred in po rekonstrukciji je bila zimska temperatura vode v bistvu vzdrževana pri 9–13 stopinj. Pred rekonstrukcijo je bil zimski pretok (9,12±0,58)×10⁴ m³·d⁻¹, po rekonstrukciji pa se je povečal na (9,42±0,44)×10⁴ m³·d⁻¹. Kot je prikazano vSlika 3(a)-(d) po rekonstrukciji sta se povprečni dotočni KPK in BPK5 povečali za 16,82 % oziroma 26,97 % v primerjavi s pred rekonstrukcijo, vendar se je iztok zmanjšal na (20,04±2,38) oziroma (4,47±0,84) mg·L⁻¹. Po rekonstrukciji se je povprečna dotočna obremenitev TP povečala za 23,40 % v primerjavi s pred rekonstrukcijo, vendar je lahko TP iztoka še vedno tako nizka (0,26±0,02) mg·L⁻¹. Po rekonstrukciji je bila dotočna SS obremenitev nekoliko nižja kot prej, vendar se je efluent SS zmanjšal za več kot 17,51 % v primerjavi s prej, na (3,44±1,17) mg·L⁻¹, z največ le 4,75 mg·L⁻¹.

Osrednji poudarek tega projekta po rekonstrukciji je bilo povečanje zmogljivosti odstranjevanja dušika. Po rekonstrukciji so se povprečne dotočne obremenitve NH3-N in TN povečale za 21,56 % oziroma 19,79 % v primerjavi s pred rekonstrukcijo, vendar se je iztok zmanjšal na (0,94±0,22) oziroma (8,59±0,64) mg·L⁻¹. Največji iztočni NH3-N je bil samo 1,33 mg·L⁻¹, največji TN pa samo 9,7 mg·L⁻¹. Za odstranjevanje dušika, ker je aktivno blato po rekonstrukciji še vedno imelo ključno vlogo, se na podlagi znatnega podaljšanja anoksičnega zadrževalnega časa dejanska zimska denitrifikacijska volumetrična obremenitev sistema pred in po rekonstrukciji ni bistveno spremenila. Pri nitrifikaciji je bil po rekonstrukciji učinek nitrifikacije povečan z dodajanjem suspendiranih nosilcev, da se tvori hibridni sistem MBBR za okrepitev odstranjevanja NH3-N. Na podlagi znatnega zmanjšanja aerobnega zadrževalnega časa se je dejanska zimska nitrifikacijska obremenitev po rekonstrukciji povečala z 0,081 na 0,182 kg·(m³·d)⁻¹, kar je 124,69 % povečanje v primerjavi s pred rekonstrukcijo. Uporaba procesa MBBR v tem projektu je dosegla znatno izboljšanje učinkovitosti nitrifikacije.

2.2 Analiza učinkovitosti sistemskega odstranjevanja dušika, potenciala in vloge visečih nosilcev

Za nadaljnjo določitev učinka odstranjevanja dušika vsake funkcionalne cone v biološkem odseku po rekonstrukciji smo spremljali kakovost vode vzdolž biološkega rezervoarja in analizirali pot odstranjevanja dušika vsake funkcionalne cone po rekonstrukciji s povprečnimi parametri kakovosti vode vsakega funkcionalnega odseka. Kot je prikazano vSlika 4med merilnim obdobjem so bile srednje dejanske koncentracije TN, NH3-N in KPK v biološkem rezervoarju 43,59, 38,50 oziroma 278,00 mg·L⁻¹, TN, NH3-N in KPK v iztoku pa so se zmanjšale na 7,53, 0,51 in 24,46 mg·L⁻¹. Za odstranitev TN je bila stopnja sistemske odstranitve TN, izračunana iz dotočnih in iztočnih koncentracij TN, 78,95 ± 6,01 %, odstranitev pa je v glavnem potekala v pred-anoksičnem območju s količino odstranjenega dušika 27,51 mg·L⁻¹. Denitrifikacijska obremenitev in stopnja prispevka sta bili 0,149 kg·(m³·d)⁻¹ oziroma 79,16%±2,24%. V kombinaciji s spremembo koncentracije KPK je bil KPK/TN, porabljen za denitrifikacijo v pred-anoksičnem območju 5,22±0,21. Post{21}}anoksična cona je za denitrifikacijo uporabila zunanji natrijev acetat s količino odstranjenega dušika in obremenitvijo 4,35 mg·L⁻¹ oziroma 0,024 kg·(m³·d)⁻¹. Izračunana COD/TN, porabljena za denitrifikacijo, je bila 4,66±0,57. Natrijev acetat kot sol organske kisline z majhno molekulo zlahka uporabijo mikroorganizmi in ima večjo učinkovitost denitrifikacije kot vir kompleksnega organskega ogljika v surovi vodi. Po rekonstrukciji je imel dotok dobro biorazgradljivost, zahteve po denitrifikaciji pa je bilo mogoče v bistvu izpolniti le skozi pred-anoksično cono, s čimer se je zmanjšal pritisk na post-anoksično denitrifikacijo in količina zunanjega vira ogljika. Za odstranitev NH3-N je bil DO v območju MBBR med dejanskim delovanjem 2–4 mg·L⁻¹, sistemska stopnja odstranitve NH3-N, izračunana iz dotočnih in iztočnih koncentracij NH3-N, pa 98,67 %±3,14 %.

Pri dejanskem delovanju čistilnih naprav se vplivni šoki kakovosti pogosto pojavijo zaradi naravnih dejavnikov, kot so padavine in taljenje snega, industrijskih dejavnikov, kot so povečana industrijska podjetja ali začasne nepravilnosti v poslovanju, in družbenih dejavnikov, kot so prazniki in posebni dogodki. Izboljšanje odpornosti biološkega čistilnega sistema na udarce je postalo ključ do varnega in stabilnega delovanja naprave. Za preverjanje največje tolerančne obremenitve sistema je bil izveden laboratorijski test nitrifikacije pod visokim substratom in visokim DO. Hkrati so bile za preverjanje dejanske vloge visečih nosilcev v hibridnem sistemu MBBR dvakrat postavljene tri skupine poskusov (hibrid, čisti-biofilm in čisto-blato). Spremembe NH₃-N v vsakem sistemu med preskusom so prikazane vSlika 5. Z dotokom NH3-N pri 25 mg·L⁻¹ sta hibridni in čisti{3}}biofilmski sistem zmanjšala NH3-N pod 1,5 mg·L⁻¹ v 2,5 oziroma 3,0 urah, medtem ko je sistem s čistim-blatom med preskusom veliko počasneje zmanjševal NH3-N obdobje. Izračunane srednje nitrifikacijske volumetrične obremenitve čistega-blata, čistega-biofilma in hibridnih sistemov so bile 0,072, 0,215 oziroma 0,286 kg·(m³·d)⁻¹. V skladu z enačbo (1) je ob prisotnosti aktivnega blata volumetrična obremenitev suspendiranih nosilcev v sistemu MBBR 0,214 kg·(m³·d)⁻¹, kar se ni bistveno razlikovalo od izmerjene obremenitve skupine čistih-biofilmov. V primerjavi z drugimi napravami, ki uporabljajo hibridni postopek MBBR, s podobnimi razmerji polnjenja nosilca, je bila tudi največja nitrifikacijska obremenitev suspendiranih nosilcev v tem projektu na relativno visoki ravni, kar je lahko povezano z nadaljnjim izboljšanjem prenosa mase suspendiranih nosilcev in povečano aktivnostjo funkcionalnih bakterij v pogojih visoke vplivne obremenitve. Poleg tega je s kombinacijo aktivnega blata največja nitrifikacijska volumetrična obremenitev pri visokih substratih in visokih pogojih DO dosegla 0,286 kg·(m³·d)⁻¹, kar je doseglo in preseglo projektno obremenitev (0,275 kg·(m³·d)⁻¹), kar je izpolnilo načrtovalska pričakovanja.

Za kvantitativno analizo največje tolerančne obremenitve biološkega sistema v tem projektu, ki temelji na volumetrični obremenitvi hibridnega sistema, izmerjeni v laboratorijskem testu, v kombinaciji s podatki o kakovosti vtočne vode vzdolž pretočne poti, lahko sistem prenese največjo zmogljivost čiščenja 1,23 × 10⁵ m³·d⁻¹ (izračunano ob predpostavki pozitivnega linearnega razmerja med nitrifikacijsko obremenitvijo sistema in hidravličnim zadrževanjem časa), hkrati pa zagotavlja skladnost stabilnega NH3-N iztoka. To je povečanje za 30,57 % v primerjavi z dejansko zmogljivostjo zimskega čiščenja tega projekta, pri čemer se je hidravlični zadrževalni čas sistema dodatno zmanjšal na 3,43 ure. Podobno je bila na podlagi dejanske zmogljivosti čiščenja po rekonstrukciji dopustna koncentracija NH3-N v biološkem rezervoarju kar 55 mg·L⁻¹, kar je povečanje za 56,96 % v primerjavi s povprečnim dejanskim zimskim dotokom NH3-N tega projekta.

Kar zadeva vlogo visečih nosilcev v hibridnem sistemu MBBR tega projekta, je bila v skladu z enačbo (2) stopnja nitrifikacije biofilma suspendiranega nosilca v tem projektu 74,83 %. Vidimo lahko, da so v pogojih nizke-temperature viseči nosilci postali prevladujoč dejavnik za nitrifikacijo v hibridnem sistemu MBBR. V kombinaciji s poročili iz literature je bilo analizirano, da ima sistem z aktivnim blatom pri nizkih zimskih temperaturah, omejen z ohlapno strukturo in visoko specifično površino, dobro odvajanje toplote in slabo toplotno izolacijo za notranje mikroorganizme, kar vodi do zmanjšane učinkovitosti nitrifikacije. Nasprotno pa biofilm na visečih nosilcih, ki ima koristi od svoje goste strukture in visoke zaščite EPS, zagotavlja dobro toplotno izolacijo za notranjo plast biofilma, s čimer zagotavlja dobro delovanje nitrifikacije pri nizkih-temperaturnih pogojih. Poleg tega so rezultati meritev vzdol-toka tega projekta pokazali pomemben pojav odstranitve TN v območju MBBR. V kombinaciji s spremembo koncentracije NH3-N vzdolž aerobne cone in razmerja recirkulacije je bila izračunana odstranitev TN (3,42±0,11) mg·L⁻¹, s stopnjo prispevka 9,83%±0,67%, kar kaže na obstoj učinka SND v sistemu.

2.3 Preverjanje učinka SND in analiza vplivnih dejavnikov

Trenutno večina čistilnih naprav, ki uporabljajo postopek MBBR, lahko opazuje odstranjevanje dušika v aerobnem območju, pri čemer običajno odstrani 3–8 mg·L⁻¹ TN. Razlog za ta pojav se pripisuje predvsem učinku SND biofilma. To pomeni, da ko penetracijska sposobnost raztopljenega kisika oslabi, se v notranji plasti biofilma oblikuje anoksična/hipoksična plast, ki zagotavlja pogoje za obogatitev denitrifikacijskih bakterij in tako postavi temelje za odstranjevanje dušika SND.

Za nadaljnjo potrditev vira aerobnega SND je bil izveden laboratorijski test denitrifikacije z uporabo aerobnega biofilma, kot je prikazano vSlika 6. V celotnem preskusnem obdobju je bilo zmanjšanje NO₃-N razmeroma nežno in enakomerno, pri čemer je sistem v 120 minutah odstranil 3,72 mg·L⁻¹ nitratnega dušika. Povprečni C/N, ki ga je porabil sistem, je bil 3,43±0,05. Teoretično je C/N, potreben za denitrifikacijo, 2,86. Če upoštevamo porabo z biološko asimilacijo in DO v surovi vodi, zahtevani C/N na splošno doseže nad 4. Vendar je bil C/N, potreben za odstranitev dušika s suspendiranimi nosilci v tem projektu, nižji od tistega, ki ga porabi splošna mikrobna denitrifikacija. Špekulira se, da ko suspendirani nosilci v območju MBBR izvajajo odstranjevanje dušika SND, večinoma uporabljajo notranje vire ogljika, ki nastanejo pri staranju in lizi biofilma, kot donorje elektronov, zato je stopnja izkoriščenosti organske snovi (zunanji vir ogljika) v surovi vodi na splošno nizka. Uporaba postaranega biofilma kot notranjega vira ogljika za denitrifikacijo prav tako nakazuje, da ima lahko postopek MBBR manjšo proizvodnjo blata. Z uporabo celotnega preskusnega obdobja kot vozlišča je bila izračunana denitrifikacijska volumetrična obremenitev aerobnega biofilma (0,045±0,003) kg·(m³·d)⁻¹. Biofilm na suspendiranih nosilcih, dodanih v aerobno cono, je imel denitrifikacijski učinek, kar dokazuje pojav hkratne nitrifikacije in denitrifikacije v biofilmu.

SND je kot koristen učinek po uporabi procesa MBBR za nadgradnjo v tem projektu še izboljšal sistemsko stopnjo odstranjevanja TN in do določene mere zmanjšal odvisnost od zunanjih virov ogljika za denitrifikacijo. Za nadaljnjo okrepitev aerobnega učinka SND z vidika optimiziranega delovanja je bil nadalje raziskan vpliv kakovosti dotočne in odtočne vode ter kontrolnih parametrov na učinek SND območja MBBR. Z dolgoročnim-sledenjem kontrolnih parametrov, kot so vstopni nitratni dušik (NO₃-Ninf), iztočni nitratni dušik (NO₃-Neff), vstopna organska snov (CODinf), iztočna organska snov (CODeff), vstopni amonijakov dušik (NH₃-Ninf), iztok amonijev dušik (NH3-Neff), popolna odstranitev dušika (ΔTN) in DO v območju MBBR skozi zimo, je bila za raziskovanje korelacije med temi parametri uporabljena analiza glavnih komponent (PCA). Rezultati so prikazani vSlika 7. ΔTN v aerobnem območju je pokazal relativno pomembno negativno korelacijo z DO, medtem ko korelacija s CODinf, CODeff in NO₃-Ninf ni bila očitna. Previsok DO vodi do temeljitejšega prenosa mase v biofilmu, zaradi česar je težko oblikovati anoksično cono v notranjosti, kar je neugodno za proces denitrifikacije in zavira učinek SND. Poleg tega CODinf in NO₃-Ninf v območju MBBR nista imela pomembnega vpliva na učinek SND suspendiranih nosilcev. Po eni strani to ponovno potrjuje, da postopek SND biofilma uporablja predvsem notranje vire ogljika namesto zunanjih virov ogljika. Po drugi strani pa tudi kaže, da NO₃-N, ki ga odstrani SND v območju MBBR, ne izvira iz dotoka NO₃-N, ampak predvsem iz NO₃-N, ki nastane z nitrifikacijo v aerobnem rezervoarju. NO₃-Neff je v negativni korelaciji z ΔTN v aerobnem območju. Kot rezultat skupnega delovanja nitrifikacije in SND v aerobnem območju, na eni strani višji DO povzroči boljšo nitrifikacijo in večji iztok NO₃-Neff; po drugi strani pa višji DO vodi do slabšega SND in bolj zaviranega odstranjevanja dušika, kar nadalje vodi do višjega iztoka NO₃-Neff.

Da bi dosegli "merljiv in nadzorovan" SND in zagotovili smernice za nadzor delovanja naprave, je bil DO, ki ga je mogoče ročno nadzorovati, izbran kot neodvisna spremenljivka, ΔTN pa je bil uporabljen kot odvisna spremenljivka za linearno regresijsko analizo. Rezultati so prikazani vSlika 8(a). Ko je bil dejanski DO v območju MBBR rastline 2,06–3,67 mg·L⁻¹, je obstajal učinek SND z odstranitvijo dušika 2,36–4,10 mg·L⁻¹, ΔTN in DO pa sta v bistvu zadostila ΔTN=6.0040 – 0,9579 DO (R²=0.9734). Poleg tega je bilo z uporabo prilagojene krivulje izračunano, da lahko teoretično, ko je DO nadzorovan pod 6,27 mg·L⁻¹, območje MBBR izvaja učinek odstranjevanja dušika SND. To je skladno z zaključkom Wang Xuejiang et al. pri preučevanju učinka DO na učinek SND sistema MBBR, kjer so ugotovili, da lahko stopnja odstranitve TN še vedno preseže 30 %, ko je DO kar 6,0 mg·L⁻¹. Vendar je treba opozoriti, da je ta vrednost teoretična vrednost, pridobljena s prilagajanjem, dejanski učinek uporabe pa je treba dodatno preučiti pri nadaljnjem delovanju. Poleg tega je treba upoštevati, da regulacija DO hkrati vpliva na nitrifikacijski učinek sistema, s čimer vpliva na učinkovitost odstranjevanja NH3-N. Zato so rezultati linearne regresijske analize z uporabo DO kot neodvisne spremenljivke in ΔNH3-N kot odvisne spremenljivke prikazani na sliki 8(b). Glede na povprečno dotočno vrednost NH3-N v coni MBBR pozimi (10,47 mg·L⁻¹) in načrtovani standard iztoka (1,50 mg·L⁻¹) je izračunano, da je treba ΔNH3-N nadzorovati najmanj 8,97 mg·L⁻¹. V kombinaciji z rezultati linearne regresije je treba DO nadzorovati nad 2,47 mg·L⁻¹. Če povzamemo, ko je bil DO v tem projektu 2,06–3,67 mg·L⁻¹, je obstajal učinek SND. Vendar pa je na podlagi načela izpolnjevanja standardov za dušik iz amonijaka ob hkratnem zmanjševanju porabe energije prezračevanja lahko DO nadzorovan okoli 2,47 mg·L⁻¹, kjer je učinek SND sistema optimalen, pri čemer se odstrani 3,64 mg·L⁻¹ TN.

Da bi preverili vpliv obratovalnih parametrov na učinek SND biofilma in pridobili splošen vzorec, smo primerjali učinke SND šestih čistilnih naprav, ki uporabljajo postopek MBBR v različnih delovnih pogojih. Rezultati so prikazani vTabela 2. Prvič, DO v aerobnem območju vsake rastline je bil večinoma nadzorovan pri 2–3 mg·L⁻¹, koncentracija blata pa je bila 3,0–4,0 g·L⁻¹. Pod temi pogoji je mogoče doseči relativno očiten učinek SND. Glede na ustrezne rezultate ΔTN in DO v tem projektu, ko je bil DO nadzorovan pod 6,27 mg·L⁻¹, bi lahko prišlo do učinka SND. Ta projekt z razmeroma debelejšim biofilmom pozimi je imel večjo toleranco za DO. Drugič, obrat B z najnižjo koncentracijo blata je imel najboljši učinek SND. Rastline A, D in E z višjimi razmerji polnjenja nosilca so imele očitnejše učinke SND, kar vse kaže, da v hibridnem sistemu MBBR pojav SND v glavnem izvira iz biofilma.

Če povzamemo, poleg povečanja učinka SND z nadzorovanjem DO bi lahko ta projekt poskusil postopno zmanjšati sistemsko blato na približno 3,0 g·L⁻¹, s čimer bi zagotovil boljše pogoje za gojenje debeline biofilma in tvorbo anoksične plasti z nizko koncentracijo blata, s čimer bi zagotovil pogoje za nadaljnje delovanje SND.

2.4 Analiza sestave bakterijske skupnosti, ki-odstranjuje dušik

Glede na razlike v bogastvu vrst in raznolikosti med fazami blata in biofilma je bil na podlagi majhne razlike v rezultatih dveh sekvenčnih serij amplikonov za analizo izbran en niz podatkov. Kot je prikazano vSlika 9, indeksi Chao, Ace in Simpson označujejo bogastvo in enakomernost porazdelitve mikrobne skupnosti, medtem ko Shannonov indeks predstavlja raznolikost mikrobne skupnosti. Višji indeksi Chao in Ace kažejo na večjo bogastvo OTU, nižji Simpsonov indeks nakazuje boljšo enotnost porazdelitve vrst, višji Shannonov indeks pa nakazuje večjo raznolikost skupnosti. Rezultati so pokazali, da sta tako vrstno bogastvo kot raznolikost bistveno večji v biofilmu kot v aktivnem blatu, prav tako pa je bila porazdelitev vrst v biofilmu bolj enakomerna kot v aktivnem blatu. Skupno število OTU-jev v biofilmu in aktivnem blatu je bilo 1652 oziroma 1372, s 770 skupnimi OTU-ji, kar predstavlja 46,6 % oziroma 56,1 % vseh OTU-jev v biofilmu in aktivnem blatu. Biofilm je imel 882 edinstvenih OTU, kar je predstavljalo skoraj 40 % vseh OTU. Vidimo, da je biofilm obogatil del mikroorganizmov, ki jih v prvotnem aktivnem blatu ni bilo. Dodatek visečih nosilcev je znatno povečal bogastvo in raznolikost mikrobne skupnosti v sistemu, bolj zapletena sestava mikrobne skupnosti pa je postavila tudi temelj za odpornost sistema MBBR na udarce.

Za nadaljnje razumevanje razlik v prevladujočih vrstah in funkcionalni bakterijski sestavi med biofilmom in aktivnim blatom ter za zagotovitev mikroskopske podpore za pojav SND v biofilmu je bila analizirana mikrobna sestava na ravni rodu. Kot je prikazano vSlika 10, je prevladujoča vrsta v biološkem sistemu tega projekta vključevala norank_f_Caldilineaceae, norank_f_JG30-KF-CM45, Nitrospira, Pedomicrobium in SWB02. Med njimi sta lahko norank_f_Caldilineaceae in norank_f_JG30-KF-CM45 obogatena tako z biofilmom kot z aktivnim blatom, z relativno številčnostjo v biofilmu in aktivnem blatu 3,05, 5,69 % oziroma 7,06, 3,08 %. norank_f_Caldilineaceae so večinoma nitaste bakterije, nekateri rodovi pa imajo sposobnost denitrifikacije. Obogatili so jih z biofilmom, ker lahko biofilm izloči več EPS za njihovo razmnoževanje. Po drugi strani pa jih je mogoče obogatiti tudi z aktivnim blatom kot PAO, kar spodbuja odstranjevanje fosforja. norank_f_JG30-KF-CM45 lahko sodeluje v procesih pretvorbe ogljika in dušika, s čimer izboljša odstranjevanje organskih snovi in ​​dušika.

Glede na poročila iz literature je bilo ugotovljeno, da lahko postopek MBBR doseže učinkovito obogatitev nitrifikacijskih bakterij, kot so Nitrospirota, Nitrosomonas in Nitrolancea, pri nizkih temperaturah. Glavni nitrifikacijski rod v tem projektu je bila Nitrospira, ki ima popolno nitrifikacijsko sposobnost. Njegova relativna vsebnost v biofilmu in aktivnem blatu je bila 4,73 % oziroma 0,39 %. Glede na poročila iz literature je relativna številčnost nitrifikacijskih bakterij v drugih obratih, ki uporabljajo sisteme z aktivnim blatom, pri nizkih zimskih temperaturah večinoma pod 1 %. Po hibridni rekonstrukciji MBBR v tem projektu je bila relativna številčnost nitrifikacijskih bakterij v aktivnem blatu relativno nizka, kar dokazuje prerazporeditev nitrifikacijskih bakterij v sistemu MBBR pri nizkih-temperaturnih pogojih, kot je bilo omenjeno prej. Relativna številčnost Nitrospire v biofilmu tega projekta je bila več kot 10-krat večja kot v aktivnem blatu in izračunano je bilo, da je bilo več kot 92 % nitrifikacijskih bakterij v sistemu obogatenih z biofilmom. To je prednost postopka MBBR pri nizkih-temperaturnih pogojih, ki zagotavlja stabilno delovanje sistema.

Kar zadeva pojav SND v biofilmu, so suspendirani nosilci pokazali tudi večjo obogatitveno sposobnost za nekatere denitrifikacijske bakterije kot aktivno blato. Študije so pokazale, da lahko tako SWB02 kot Pedomicrobium sodelujeta v procesu denitrifikacije, SWB02 pa lahko izloča C6-HSL, ki ima dober zaviralni učinek na zbiranje blata. Relativne količine SWB02 in Pedomicrobium v ​​biofilmu so bile 3,68 % oziroma 3,78 %, kar je veliko več kot njune relativne količine v aktivnem blatu (0,21 % in 0,22 %). Poleg tega je bilo izračunano, da sta bila deleža SWB02 in Pedomicrobium v ​​celotnem hibridnem sistemu več kot 94,5 %. Čeprav so bili viseči nosilci dodani samo v aerobni coni, ima zrel biofilm določeno debelino. Zaradi omejitev prenosa mase in prenosa kisika obstaja anoksično/hipoksično okolje v notranji plasti biofilma, ki bogati denitrifikacijske bakterije in tako daje biofilmu sposobnost denitrifikacije. To je mikrobiološka osnova za hkratno sposobnost nitrifikacije in denitrifikacije biofilma. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da se Hyphomicrobium lahko obogati tudi v okoljih z nizko temperaturo. Ta vrsta lahko uporablja strupene in ognjevzdržne organske spojine za denitrifikacijo. Njegova relativna vsebnost v biofilmu je bila 1,80 %, tudi veliko večja od relativne vsebnosti v aktivnem blatu (0,12 %).

Če primerjamo prevladujoče denitrifikacijske bakterije (DNB) in njihove relativne abundance v biofilmu drugih rastlin, so rezultati prikazani vTabela 3. Prvič, v smislu sestave denitrifikacijskih bakterij v aerobnem biofilmu vrste denitrifikacijskih bakterij, obogatenih z aerobnim biofilmom vsakega projekta, niso bile dosledne. Edina ponavljajoča se rodova sta bila Terrimonas in Hyphomicrobium. Terrimonas je tudi pogosta denitrifikacijska bakterija v sistemih z aktivnim blatom in podobno kot Hyphomicrobium lahko razgradi antracenske spojine, nekatere pa so razvrščene kot aerobne denitrifikacijske bakterije. Ti dve bakteriji sta se pojavili v rastlinah F, H in tem projektu. Na obrat H in ta projekt je med dejanskim delovanjem pogosto vplivala industrijska odpadna voda in specifična kakovost industrijske vode je lahko eden od razlogov za obogatitev teh dveh skupin bakterij. Zato je mogoče sklepati, da specifični denitrifikacijski rodovi v aerobnem biofilmu niso nujen pogoj za SND, razlike v kakovosti vode med različnimi projekti pa so lahko glavni razlog za razlike v skupinah denitrifikacijskih bakterij. Drugič, v smislu relativne številčnosti denitrifikacijskih bakterij v aerobnem biofilmu, razen rastlin F, H in tega projekta, so drugi projekti dosegli relativno številčnost denitrifikacijskih bakterij v aerobnem biofilmu približno 8 %, pri čemer je odstranitev dušika SND presegla 2 mg·L⁻¹. Pod vplivom industrijske vode, čeprav je bila relativna številčnost denitrifikacijskih bakterij v aerobnem biofilmu rastline H in tega projekta sorazmerno visoka, učinkovitost denitrifikacije ni bila posebno izjemna. Vidimo lahko, da ima kakovost dotočne vode visoko prednost pri izbiri vrst denitrifikacijskih bakterij v aerobnem biofilmu, vpliv industrijske vode pa zavira učinkovitost denitrifikacije aerobnega biofilma.

Če povzamemo, lahko postopek MBBR znatno poveča bogastvo in raznolikost mikrobne skupnosti v sistemu. Zmogljivost obogatitve biofilma za nitrifikacijski rod Nitrospira je več kot 10-krat večja kot pri aktivnem blatu, kar močno poveča učinek nitrifikacije sistema. Denitrifikacijski rodovi, kot so SWB02, Pedomicrobium in Hyphomicrobium, so bolje obogateni z aerobnim biofilmom, kar zagotavlja mikroskopsko osnovo za delovanje SND in izboljša odstranitev TN. Vendar pa zaradi vpliva industrijske vode učinkovitost denitrifikacije SND ni pomembna.

3 Sklepi

① Čistilna naprava na jugozahodu Kitajske je svoj izvirni rezervoar CASS nadgradila v biološki rezervoar in usedalni rezervoar Bardenpho-MBBR, da bi dosegla nadgradnjo iz razreda A v kvazi-standarde razreda IV. Po rekonstrukciji, pri zimskih temperaturah vode 9,3–13,1 stopinje in s povprečnimi dotočnimi obremenitvami NH₃-N in TN, povečanimi za približno 20 % v primerjavi s pred rekonstrukcijo, so kazalniki iztoka stabilno dosegali kvazi-vodne standarde razreda IV. Največja nitrifikacijska obremenitev sistema MBBR je dosegla 0,286 kg·(m³·d)⁻¹, kar je izpolnilo načrtovalska pričakovanja. Stopnja prispevka nitrifikacije visečih nosilcev je bila 74,83 %, kar je prevladovalo. Sistem še vedno lahko poveča kakovost vode za 56,96 % in pretok za 30,57 %.

② V območju MBBR viseči nosilci uporabljajo notranje vire ogljika, da povzročijo učinek SND, s čimer dosežejo stopnjo prispevka odstranitve dušika 9,83 % ± 0,67 %. Da bi povečali učinek SND, je treba DO čim bolj nadzorovati pri 2,47 mg·L⁻¹ med dejanskim delovanjem, kjer lahko SND odstrani 3,64 mg·L⁻¹ TN. Kasneje se lahko poskusi dodatno zmanjšati koncentracijo blata na približno 3,0 g·L⁻¹, da se zagotovijo pogoji za nadaljnje ojačanje učinka SND biofilma.

③ Postopek MBBR je znatno povečal bogastvo in raznolikost mikrobne skupnosti v sistemu. Zmogljivost obogatitve biofilma za nitrifikacijski rod Nitrospira je bila več kot 10-krat večja od aktivnega blata, kar je zagotovilo mikrobiološko osnovo za izboljšano nitrifikacijo v tem projektu. Denitrifikacijski rodovi, obogateni z aerobnim biofilmom, kot so SWB02, Pedomicrobium in Hyphomicrobium, so postavili mikroskopske temelje za pojav pojava SND v biofilmu.