Odstranjevanje amonijevega dušika iz mikro-onesnažene rečne vode in kombinirane odplake z uporabo pakiranj MBBR iz različnih materialov
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) združuje prednosti procesa z aktivnim blatom in tradicionalnega procesa z biofilmom, zaradi česar je inovativna in revolucionarna tehnologija v sodobni biološki obdelavi odplak. Številne predhodne študije so pokazale, da lahko postopek MBBR učinkovito ublaži pritisk odstranjevanja dušika iz mestnih odplak. Bio-nosilna embalaža v procesu MBBR lahko transportira biofilm do celotnega reaktorja, spodbuja stik med biofilmom, kisikom in reakcijskimi substrati ter izboljša učinkovitost reakcij razgradnje. Zaradi svoje edinstvene stabilnosti in lastnosti gostote imajo široke možnosti uporabe.
Trenutno je večina bio-nosilne embalaže MBBR izdelana predvsem iz materialov, kot so polietilen (PE), polipropilen (PP), poliuretan (PU) in porozni poliuretan (PPC). Med njimi imajo polnila MBBR na osnovi PE- dober učinek odstranjevanja kroma, CODCr, amonijakovega dušika, skupnega dušika, skupnega organskega ogljika in hlapnih fenolov v odpadni vodi; PP tesnila se večinoma uporabljajo v kombiniranih procesih MBBR, kot sta kombinirani postopek MBBR-AO in kombinirani postopek MBBR-MBR; PU in PPC embalaža imata visoko poroznost, ki lahko zagotovi večjo pritrdilno površino za mikroorganizme, kar omogoča hitro in stabilno rast mikroorganizmov ter tako učinkovito odstranjevanje organskih onesnaževal in različnih hranil v odpadni vodi. PE in PPC embalaža sta trenutno dve široko uporabljeni vrsti. PE embalaža se bolj uporablja z boljšim delovanjem, medtem ko ima embalaža PPC večjo hidrofilnost in večjo specifično površino, kar je bolj ugodno za pritrditev mikroorganizmov. Obe vrsti tesnil imata svoje prednosti in slabosti, obe pa imata dobro mehansko trdnost in nizke stroške. Vendar pa je malo poročil o njihovih učinkih odstranjevanja dušika iz amoniaka iz mikro-onesnažene rečne vode in kombinirane-meteorne odplake v MBBR-AO sklopljenem procesu. Ta članek raziskuje vpliv dodajanja različnih vrst bio-nosilne embalaže MBBR (materiali PE in PPC) v MBBR-AO sklopljeni postopek na učinkovitost odstranjevanja dušika iz amoniaka iz mikro-onesnažene rečne vode in kombinirane-meteorne odplake. Hkrati analizira stopnjo tvorbe biofilma in življenjsko dobo različnih bio-nosilnih pakiranj MBBR, s ciljem izboljšati posebne izbirne metode različnih bio-nosilnih pakiranj MBBR v procesu MBBR za čiščenje odplak.
1. Postopek čiščenja odplak
1. 1 Podrobnosti pakiranja poteka postopka in bio-nosilca
Naprava za čiščenje odplak, uporabljena v tej študiji, je samo-zasnovan biološki reaktor z zvrtinčeno plastjo, ki uporablja sklopljeni postopek MBBR-AO. Glavni procesni tok je prikazan na sliki 1(a), posebna oprema pa vključuje rešetko, dvižno črpalko, bio-nosilna pakiranja MBBR, integriran visoko-učinkovit rezervoar za biološko odstranjevanje dušika, visoko-učinkovit sedimentacijski rezervoar, prezračevalni sistem itd. Vtočna stopnja pretoka reaktorja je 50 m³/d (približno 2 m³/h), efektivni hidravlični zadrževalni čas je 5 ur, učinkovita prostornina reaktorja pa približno 10 m³.
Bio{0}}nosilna polnila MBBR v napravi za čiščenje odplak so nosilna polnila na osnovi PE-in nosilna polnila PPC gela. Tesnila na osnovi PE- so v obliki obročastih žarkov z velikostjo Φ25 mm×10 mm, 19 luknjami in peterokotnimi kanali, s specifično površino približno 500 m²/m³ [slika 1(b)]; nosilna embalaža PPC gela je kubična z velikostjo Φ10 mm×10 mm×10 mm in specifično površino približno 5000 m²/m³ [slika 1(c)].
1.2 Kakovost odplak
V tej študiji je bila naprava za čiščenje odplak uporabljena za čiščenje dveh vrst vodnih teles: mikro-onesnažene rečne vode in kombinirane padavinske-odplake. Mikro-onesnažena rečna voda je bila iz mestne reke v regiji Zhejiang z nizkimi stopnjami onesnaženosti, koncentracija dušika v amoniaku pa je bila relativno nizka, s povprečno masno koncentracijo 5 mg/L. Kombinirana-odplaka padavinske vode je bila dotočni vir dveh kanalizacijskih črpalnih postaj (črpalne postaje 1 in črpalne postaje 2) čistilne naprave v Zhejiangu z relativno visoko koncentracijo dušika v amoniaku, ki je znašala od 3 do 20 mg/L. To je zato, ker nekateri dušikovi oksidi v zraku med padavinami reagirajo z deževnico in tvorijo dušikovo kislino ali nitrate, kar je bolj ugodno za razmnoževanje bakterij, ki oksidirajo amoniak-, kar ima za posledico razmeroma visoko vsebnost dušika iz amonijaka v odplakah. Medtem se je pH vrednost obeh vodnih teles ohranjala med 7 in 9.
1.3 Parametri delovanja naprave za čiščenje odplak
1.2.1 Začetni proces tvorbe biofilma
Sistem čiščenja odplak smo začeli z dodajanjem embalaže v serijah za tvorbo biofilma. Glede na dejanski učinek fluidizacije polnil v reaktorju je bilo ugotovljeno, da je končni volumski delež dodanih polnil 20 %. Med-postopkom zagona se suspendirano blato v sistemu ni vračalo, razmerje vračanja blata med čiščenjem odplak pa je bilo 1:8.
1.2.2 Nadzor parametrov delovanja naprave
Naprava za čiščenje odplak je delovala pri sobni temperaturi (20 stopinj). Prezračevalna oprema na dnu naprave je bila uporabljena za nadzor stopnje prezračevanja med čiščenjem odplak. Medtem je bil vtočni pretok naprave nadzorovan na 2 m³/h, drugi parametri med čiščenjem odplak pa so ostali v bistvu dosledni. Kot dotočni vzorci vode so bili izbrani kombinirana padavinska-odplaka črpališča 1 in črpališča 2 ter mikro-onesnažena rečna voda.
2. Rezultati in razprava
2.1 Hitrost nastajanja biofilma pri embalaži MBBR z različnimi materiali
Med fazo zagona-naprave za čiščenje odplak je bila kakovost dotočne vode stabilna. Po dodajanju embalaže v serijah je bila embalaža podvržena normalni tvorbi in zorenju biofilma.
Pri enakih delovnih pogojih se je stopnja tvorbe biofilma pri bio-nosilni embalaži z različnimi materiali močno razlikovala zaradi njihovih inherentnih značilnosti. Stopnja tvorbe biofilma pri embalaži na osnovi PE-je bila razmeroma počasna, kar je zahtevalo dodajanje kemikalij, kot je glukoza, za kulturo zaprtega prezračevanja. Z opazovanjem delovanja PE in PPC embalaže v MBBR-AO sklopljenem procesu je bilo ugotovljeno, da se približno 5 dni po dodajanju PE embalaže na površini nosilcev pojavi tanek rumenkasto-rjav biofilm. Po neprekinjenem delovanju približno 1 teden se je na nosilni površini pojavilo veliko število paramecij, epistilisov, rotiferjev in majhna količina vrtincev, kar kaže, da je biofilm v bistvu zrel in da je bil zagon-sistema v tem času končan. Nasprotno pa je bila stopnja tvorbe biofilma pri embalaži PPC hitrejša in biofilm je v bistvu dozorel v približno 3 dneh, medtem ko se je blato lahko adsorbiralo v notranjost embalaže. Tvorba biofilma pomaga izboljšati aktivnost bakterij,-ki oksidirajo amoniak. V primerjavi s PE embalažo je velika specifična površina PPC embalaže bolj ugodna za tvorbo biofilma in imobilizacijo mikrobov. Za PE embalažo iz istega materiala, ki čisti različne vrste odplak, je tudi učinek tvorbe biofilma embalaže pokazal pomembne razlike. Iz slike 2(a) je razvidno, da je bil na površini PE embalaže v mikro-onesnaženi rečni vodi tanek svetlo rjav biofilm. Vendar slika 2(b) kaže, da je bila plast biofilma na površini PE embalaže v kombinirani-odplaki padavinske vode razdrobljena, kar kaže, da je bil učinek tvorbe biofilma PE embalaže v mikro-onesnaženi rečni vodi bistveno boljši kot v kombinirani-odplaki padavinske vode. Na sliki 2(c) in sliki 2(d) je razvidno, da razlika v učinku tvorbe biofilma embalaže PPC v mikro-onesnaženi rečni vodi in kombinirani meteorni-odplaki ni bila pomembna.
2. 2 Zmogljivost odstranjevanja amonijevega dušika iz bio-nosilne embalaže z različnimi materiali
Vsebnost dušika v amonijaku je ključni indikator za oceno dejanskega učinka čiščenja odplak iz črpališč. Zato ima zmogljivost odstranjevanja dušika iz amoniaka pomemben praktični vodilni pomen za izbiro vrst bio-nosilne embalaže v MBBR-AO sklopljenem procesu.
2. 3 Učinek odstranjevanja dušika iz amoniaka PE in PPC embalaže na mikro-onesnaženo rečno vodo med kratkoročnim-delovanjem procesa
Kot je prikazano na sliki 3, so bile povprečne vtočne masne koncentracije amonijevega dušika pri MBBR-AO sklopljenem procesu s PE in PPC embalažo 3,69 mg/L oziroma 3,39 mg/L. Medtem je dejanska vtočna koncentracija amonijevega dušika močno nihala, kar je posledica padavin. V procesu s PE embalažo je bila povprečna količina odstranjenega dušika iz amoniaka in povprečna stopnja odstranitve mikro-onesnažene rečne vode 3,12 mg/L oziroma 84,55 %, kar je bilo višje kot pri postopku s PPC embalažo (2,56 mg/L in 75,52 %). To kaže, da je dodajanje PE embalaže v MBBR-AO sklopljeni postopek bolj ugoden za odstranitev amonijevega dušika iz mikro-onesnažene rečne vode kratkoročno (v 12 dneh).
2.4 Učinek odstranjevanja dušika iz amoniaka PE in PPC embalaže na kombinirano-odplako padavinske vode med kratkoročnim-delovanjem procesa
Kot je prikazano na sliki 4, so bile med kratko-dnevnim (18-dnevnim) delovanjem MBBR-AO sklopljenega procesa s PE embalažo povprečne vtočne masne koncentracije amonijevega dušika v kombinirani padavinski-odplaki iz črpalne postaje 1 [slika 4(a)] in črpalne postaje 2 [slika 4(b)] 7,24 mg/L oziroma 9,35 mg/L. Ko smo dodali PE embalažo v kratkoročno-(18-dnevno) čiščenje kombinirane padavinske-odplake iz črpalne postaje 1 in črpalne postaje 2 z uporabo MBBR-AO sklopljenega procesa, se je koncentracija amonijevega dušika v iztoku znatno zmanjšala. Povprečne količine odstranitve dušika iz amoniaka so bile 6,93 mg/L in 7,9 mg/L, s povprečnimi stopnjami odstranitve 95,71 % oziroma 84,49 %. Med kratkotrajnim-(18-dnevnim) čiščenjem kombinirane padavinske-odplake iz črpalne postaje 1 je stopnja odstranitve dušika iz amonijaka ostala nad 90 % in je 9. dan dosegla skoraj 100 %. Očiščena odplaka je lahko bolj ugodna za rast pritrjenih mikroorganizmov, s čimer spodbuja odstranitev dušika iz amoniaka. Medtem je med kratkoročnim -(18-dnevnim) čiščenjem kombinirane padavinske vode in odplak iz črpalne postaje 2 stopnja odstranitve dušika iz amonijaka večinoma ostala okoli 90 %, kar kaže, da ima dodajanje PE embalaže v povezanem procesu MBBR-AO kratkoročno (18 dni) močan učinek odstranjevanja dušika iz amoniaka v kombinaciji padavinske vode in odplak.
Kot je prikazano na sliki 5, so se v procesu MBBR-AO, povezanem s polnili PPC, dotočne masne koncentracije amonijevega dušika v kombinirani padavinski-odplaki iz črpalne postaje 1 [slika 5(a)] in črpalne postaje 2 [slika 5(b)] gibale od 3 do 20 mg/L oziroma od 3 do 22 mg/L z velikimi nihanja. To je lahko posledica padavin, ki povzročajo vstop dušikovih oksidov v zraku v kanalizacijski sistem, kar povzroči znatna nihanja v vstopni koncentraciji dušika v amoniaku. Povprečne vtočne masne koncentracije amonijevega dušika v kombinirani padavinski-odpadni vodi iz črpališča 1 in črpališča 2 so bile 14,76 mg/L oziroma 13,26 mg/L. Po kratkotrajni -čiščenju (24 dni) s postopkom MBBR-AO, povezanim s PPC polnili, se je koncentracija amonijevega dušika v iztoku znatno zmanjšala s povprečnimi masnimi koncentracijami samo 5,32 mg/L in 6,42 mg/L. Povprečne količine odstranitve dušika iz amonijaka so bile 9,44 mg/L in 6,84 mg/L, povprečne stopnje odstranitve pa 63,96 % oziroma 51,58 %. To nakazuje, da imajo tesnila PPC določen učinek na odstranjevanje amonijevega dušika iz kombinirane-odplake padavinske vode. Visoka koncentracija amonijevega dušika v kombinirani padavinski-odplaki je lahko posledica vnosa drugih kompleksnih komponent v odplake, s čimer se zavira razgradnja amonijevega dušika s PPC polnili. V primerjavi s PE embalažo ima embalaža PPC manjše pore in večjo poroznost. Nečistoče in suspendirani delci v kombinirani-odpadni vodi lahko zamašijo pore PPC embalaže, kar povzroči aglomeracijo znotraj embalaže in tako zmanjša učinkovitost odstranjevanja dušika iz amoniaka. Medtem so prejšnje študije pokazale, da lahko biofilmi, manjši od 1 mm, povzročijo blokado por znotraj embalaže. Čeprav lahko biofilmi pospešijo notranjo blokado embalaže, niso glavni dejavnik.
Med kratkotrajnim-delovanjem sklopljenega postopka MBBR-AO so bile povprečne stopnje odstranjevanja dušika iz amoniaka PE embalaže za kombinirano-odplake padavinske vode (95,71 % za črpalno postajo 1 in 84,49 % za črpalno postajo 2) nekoliko višje od tistih za mikro-onesnaženo rečno vodo (84,55 %). Nasprotno pa so bile povprečne stopnje odstranjevanja dušika iz amonijaka v polnilih PPC za kombinirano-odplake padavinske vode (63,96 % za črpalno postajo 1 in 51,58 % za črpalno postajo 2) nekoliko nižje kot pri mikro-onesnaženi rečni vodi (75,52 %). Pri PE embalaži je v primerjavi z mikro-onesnaženo rečno vodo nizka koncentracija raztopljenega kisika v kombinirani padavinski-odplaki bolj ugodna za hkratno nitrifikacijo in denitrifikacijo mikroorganizmov na PE embalaži za odstranjevanje dušika. Med tvorbo biofilma PPC embalaže se blato adsorbira v notranjost embalaže, kar vodi do povečanja koncentracije raztopljenega kisika, kar ne prispeva k hkratni nitrifikaciji in denitrifikaciji notranjih mikroorganizmov, kar ima za posledico zmanjšanje stopnje odstranjevanja dušika iz amoniaka v kombinirani-odplaki padavinske vode in mikro-onesnaženi rečni vodi.
Če povzamemo, dodajanje PE embalaže je kratkoročno bolj ugodno za razgradnjo amonijevega dušika v kombinirani{0}}odpadni vodi s sklopljenim postopkom MBBR-AO.
Učinek odstranjevanja dušika iz amoniaka PE in PPC embalaže na kombinirano-odplako padavinske vode med dolgotrajnim-delovanjem procesa
Kot je prikazano na sliki 6, so se med dolgo{1}}dnevnim (96-dnevnim) delovanjem MBBR-AO sklopljenega procesa s PE embalažo dotočne masne koncentracije amonijevega dušika v kombinirani padavinski-odplaki iz črpalne postaje 1 [slika 6(a)] in črpalne postaje 2 [slika 6(b)] gibale od 2 do 25 mg/l oziroma 3 do 35 mg/l z velikimi nihanji. Povprečne vtočne masne koncentracije amonijevega dušika so bile 10,20 mg/L oziroma 8,93 mg/L. Po obdelavi s sklopljenim postopkom MBBR-AO so se povprečne masne koncentracije amonijevega dušika v iztoku zmanjšale na 2,93 mg/L in 2,67 mg/L, s povprečnimi količinami odstranitve 7,27 mg/L in 6,26 mg/L ter povprečnimi stopnjami odstranitve 71,27 % oziroma 70,10 %. Med dolgotrajnim-(96-dnevnim) delovanjem MBBR-AO sklopljenega procesa ni bilo bistvene razlike v razgradnji amoniakovega dušika v kombinirani padavinski-odplaki iz črpalne postaje 1 in črpalne postaje 2 z dodajanjem PE embalaže, stopnje odstranitve amoniakovega dušika pa so se ohranile pri približno 74 %. To kaže, da ima dodajanje PE embalaže v MBBR-AO sklopljeni postopek dober učinek odstranjevanja amoniakovega dušika v kombinirani-odpadni vodi med dolgotrajnim-delovanjem (96-dnevov). Ko je postopek MBBR-AO, povezan s PE embalažo, deloval v poznejši fazi (84–96 dni), ne glede na to, ali je bil dotok kombinirana padavinska voda in odplake iz črpalne postaje 1 ali črpalne postaje 2, se je koncentracija dušika v iztoku močno povečala, stopnja odstranitve dušika iz amoniaka pa je bila znatno nižja od skoraj 90-odstotne stopnje odstranitve v zgodnji fazi postopka. To je zato, ker se po dolgotrajni uporabi sama PE embalaža poškoduje in postara, površinska hrapavost embalaže pa se spremeni, kar povzroči zmanjšanje delovne trdnosti in zmogljivosti odstranjevanja dušika iz amoniaka.
Na sliki 7 so prikazane spremembe koncentracije amonijevega dušika v dotoku, koncentracije amonijakovega dušika v iztoku, količine odstranjenega amonijakovega dušika in stopnje odstranjevanja amonijakovega dušika med dolgotrajnim-delovanjem MBBR-AO sklopljenega procesa s polnili PPC. Masne koncentracije amonijevega dušika v kombinirani-odpadni vodi iz črpalne postaje 1 [Slika 7(a)] in črpalne postaje 2 [Slika 7(b)] so se gibale od 3 do 35 mg/L, s povprečnimi masnimi koncentracijami dušika v vtoku 10,96 mg/L oziroma 8,10 mg/L. Po obdelavi s sklopljenim postopkom MBBR-AO so se povprečne masne koncentracije amonijevega dušika v iztoku zmanjšale na 3,96 mg/L in 3,39 mg/L, s povprečnimi količinami odstranitve 7,00 mg/L in 4,71 mg/L ter povprečnimi stopnjami odstranitve 63,87 % oziroma 58,15 %. Med dolgoročnim-delovanjem sklopljenega procesa MBBR-AO je imelo dodajanje tesnil PPC nekoliko boljši učinek razgradnje amonijevega dušika v kombinirani{24}}odplaki padavinske vode iz črpalne postaje 1 kot tiste iz črpalne postaje 2, vendar razlika ni bila pomembna. To kaže, da ima dodajanje PPC tesnil v MBBR-AO sklopljeni postopek določen učinek odstranjevanja amoniakovega dušika v kombinirani padavinski-odplaki med dolgotrajnim-delovanjem. Stopnja odstranjevanja dušika iz amonijaka pri procesu MBBR-AO, povezanem s tesnilom PPC, med dolgotrajnim-delovanjem je bila višja kot med kratkotrajnim-delovanjem. To je zato, ker se med dolgotrajnim-delovanjem blato nabira v PPC embalaži in tvori lokalno anaerobno ali anoksično okolje, ki zagotavlja primerno življenjsko okolje za življenjske aktivnosti nitrificirajočih bakterij. Nitrificirajoče bakterije se hitro razmnožujejo in hitrost lokalne reakcije se pospeši
Če povzamemo, je dodajanje PE embalaže bolj ugodno za razgradnjo amonijevega dušika v kombinirani padavinski{0}}odplaki s povezanim procesom MBBR-AO med dolgotrajnim-delovanjem. Medtem je treba PE embalažo po dolgotrajni-rabi pravočasno zamenjati ali očistiti, da zagotovite, da je amonijakov dušik v odplakah še vedno mogoče učinkovito odstraniti med dolgotrajnim-delovanjem sklopljenega procesa MBBR-AO.
Življenjska doba bio-nosilne embalaže z različnimi materiali
V primerjavi s polnili PPC imajo polnila PE daljšo življenjsko dobo pri dolgotrajnem-čiščenju mikro-onesnažene rečne vode in kombinirane padavinske{2}}odplake s povezanim postopkom MBBR-AO. Kot je prikazano na sliki 8(a), se PPC-tesnila med postopkom čiščenja odplak s povezanim postopkom MBBR-AO žlindrajo in poškodujejo. Medtem se v embalaži po dolgotrajnem-delovanju pojavi staranje in aglomeracija [sliki 8(b) in 8(c)]. Tesnila PPC imajo slabo prepustnost blata. Čeprav imajo gobasta-podobna PPC embalaža veliko specifično površino, se njihove notranje pore zlahka vpijejo v blato in težko iztečejo. Dolgotrajno{15}}nabiranje blata v embalaži ponavadi tvori anaerobno ali anoksično okolje, zaradi česar se barva embalaže postopoma spremeni iz rjave v črno. To vodi do težav, kot so žlindrenje, lomljenje, staranje in aglomeracija PPC embalaže med dolgotrajnim-delovanjem, s čimer se skrajša njihova življenjska doba. To je tudi glavni dejavnik za slab učinek embalaže PPC pri odstranjevanju dušika iz amoniaka iz kombinirane-odplake padavinske vode [sliki 5(a) in 5(b)]. Nasprotno pa PE embalaža v bistvu ni imela zgornjih težav med dolgotrajnim-čiščenjem odplak s povezanim postopkom MBBR-AO, z boljšo vzdržljivostjo in daljšo življenjsko dobo. Razumna konfiguracija nosilca lahko učinkovito ublaži vpliv vodnega toka na biofilm, kar omogoča, da biofilm stabilno raste, ne da bi se poškodoval.
Sklepi
V tej študiji so bila PE bio-nosilna polnila in PPC polnila dodana med postopkom čiščenja odplak MBBR-AO sklopljenega procesa. Raziskani so bili učinki embalažnih materialov na razgradnjo amonijevega dušika v mikro-onesnaženi rečni vodi in kombinirani padavinski-odplaki ter hitrost tvorbe mikrobnega biofilma in življenjska doba embalaže z različnimi materiali. V primerjavi s PPC embalažo ima PE embalaža počasnejšo stopnjo nastajanja biofilma, a daljšo življenjsko dobo. Ne glede na to, ali se uporabljajo pri dolgoročnem-ali kratkoročnem-čiščenju mikro-onesnažene rečne vode in kombinirane padavinske-odplake s povezanim postopkom MBBR-AO, imajo PE embalaže boljše učinke razgradnje na amonijev dušik. Rezultati raziskave so tehnična podpora pri izbiri embalaže v procesih čiščenja odplak.