Učinek kombiniranega postopka A2O-MBBR + zgrajenih mokrišč za čiščenje podeželske gospodinjske odpadne vode

Učinek kombinirane tehnologije A2O-MBBR + CWs za čiščenje podeželske gospodinjske odpadne vode

Država zadnja leta močno spodbuja razvojno strategijo revitalizacije podeželja, ki se osredotoča na izboljšanje življenjskega okolja in postavlja višje zahteve glede čiščenja gospodinjskih odpadnih voda na podeželju. Trenutno glavni postopki za čiščenje gospodinjskih odpadnih voda na podeželju vključujejo biološke metode, ekološke metode in kombinirane postopke, ki večinoma izvirajo iz čiščenja mestnih odpadnih voda. Vendar pa je za podeželska območja značilno razpršeno prebivalstvo, kar povzroča številne težave, kot so visoka razpršenost odpadne vode, težave pri zbiranju, majhen obseg čiščenja, nizka stopnja izkoriščenosti virov in nezadostne čistilne naprave. Poleg tega obstajajo precejšnje razlike v kakovosti in količini odpadne vode, geografski legi, podnebju in gospodarski ravni med regijami, zaradi česar je težko standardizirati tehnologije čiščenja; enostavno sprejetje tehnologij za čiščenje komunalne odpadne vode ni izvedljivo. Infrastruktura za zbiranje odpadne vode, kot so kanalizacijska omrežja, je na podeželju pogosto neustrezna. Na zbiranje odpadne vode zlahka vpliva kombinirano prelivanje kanalizacije in infiltracija podtalnice, kar povzroči nizko koncentracijo organskih snovi v odpadni vodi in povečano težavo pri biološkem odstranjevanju dušika. Velika nihanja kakovosti in količine odpadne vode na podeželju otežujejo vzdrževanje stabilne koncentracije biomase v čistilnih napravah. Poleg tega nizke zimske temperature omejujejo zmogljivost biološkega čiščenja, kar vodi do nizke učinkovitosti in nestabilne kakovosti odplak, ki so nagnjene k preseganju standardov v tradicionalnih postopkih z aktivnim blatom. Zato je nujno treba razviti tehnologije čiščenja odpadne vode, primerne za lokalne razmere, z močno odpornostjo na udarne obremenitve, stabilnim dolgo-delovanjem, nizko porabo energije in visoko učinkovitostjo čiščenja.

Podeželska območja na Kitajskem dajejo prednost nizko{0}}cenovnim-tehnologijam-za-upravljanje gospodinjskih odpadnih voda, pri čemer so kombinirani biološki in ekološki procesi glavna raziskovalna smer. Trenutno široko uporabljena integrirana pakirana oprema za čiščenje odpadne vode na podeželju večinoma uporablja postopke, kot sta anaerobni-anoksični-oksični (A2O) in reaktor z biofilmom z gibljivo posteljo (MBBR). Študije kažejo, da je postopek MBBR bolj odvisen od zasnove objekta kot od natančnega operativnega nadzora, pri čemer za regulacijo ni potrebno strokovno tehnično osebje, zaradi česar je primeren za delovanje in vzdrževanje. To je bolj primerno za praktične potrebe čiščenja gospodinjskih odpadnih voda na podeželju, kjer je tehničnega osebja malo. Njegove prednosti vključujejo visoko koncentracijo biomase, močno odpornost na udarne obremenitve, visoko učinkovitost obdelave in majhen odtis. Raziskava Luo Jiawen et al. kaže, da lahko dodajanje medija MBBR procesu A2O znatno izboljša njegovo zmogljivost čiščenja odpadne vode. Zhou Zhengbing et al. so v dejanskem projektu gospodinjske odpadne vode na podeželju zasnovali dvo{16}}stopenjski kombinirani postopek anaerobnega/anoksičnega-biološkega prezračevanega filtra, s čimer so dosegli stabilno kakovost odplak, ki izpolnjujejo standard razreda A GB 18918-2002 "Standard za izpust onesnaževal za komunalne čistilne naprave". Poleg tega se grajena mokrišča (CW) pogosto uporabljajo za čiščenje gospodinjskih odpadnih voda na podeželju. Na primer, Zhang Yang et al. uporabil biooglje kot polnilo za spreminjanje zgrajenega mokrišča, ugotovil, da lahko stopnje odstranitve za TN, TP in COD dosežejo 99,41%, 91,40% oziroma 85,09%. Prejšnje raziskave naše skupine so prav tako pokazale, da bi lahko polnilo z bioogljem izboljšalo učinkovitost odstranjevanja dušika in fosforja iz zgrajenih mokrišč, s čimer bi izboljšalo učinkovitost in uspešnost čiščenja celotnega sistema in naredilo sistem bolj odporen na udarne obremenitve. Na podlagi zgornje raziskave, da bi raziskal kombinirano tehnologijo, primerno za čiščenje gospodinjskih odpadnih voda na podeželju, in obravnaval izzive, kot so težave pri vzdrževanju stabilne koncentracije biomase, šibka odpornost na udarne obremenitve in kakovost odplak, ki so nagnjene k nihanjem in presegajo standarde v napravah za čiščenje podeželskih odpadnih voda, je avtor vnaprej postavil postopek A2O-MBBR in ga napolnil z suspendiranimi nosilci biofilma, da bi ustvaril integrirano okolje s fiksnim-filmskim aktivnim blatom (IFAS), povečanje koncentracije sistemskega blata in izboljšanje učinkovitosti obdelave. Ob upoštevanju ekološke uporabe razpoložljivega neuporabnega zemljišča, kot so ribniki in depresije na podeželju, in združevanja zgrajenih mokrišč kot postopka obdelave s poliranjem so bile uporabljene metode, kot so uporaba polnila z bioogljem iz blata, recirkulacija nitrificirane tekočine in sajenje potopljenih rastlin za izboljšanje operativne stabilnosti sestavljenega mokrišča. Tako je bil izdelan kombinirani postopek A2O-MBBR + CWs.

V tej študiji je bila z uporabo surove odpadne vode iz vaške čistilne naprave v Hefeiju kot čistilnega objekta izdelana poskusna -postavitev kombiniranega postopka A2O-MBBR + CWs. Raziskovali smo vpliv sezonskih temperaturnih sprememb vode na njeno učinkovitost čiščenja. Indikatorje onesnaževal v dotoku in iztoku so spremljali med obratovanjem, da bi raziskali učinkovitost odstranjevanja in stabilnost delovanja. Hkrati je bila analizirana ekonomska izvedljivost postopka. Cilj je zagotoviti referenco podatkov in osnovo za uporabo kombinirane tehnologije A2O + zgrajenih mokrišč v podeželskih projektih čiščenja gospodinjskih odpadnih voda na Kitajskem ter ponuditi reference za spodbujanje čiščenja gospodinjskih odpadnih voda in gradnjo lepih, ekološko bivalnih vasi na podeželju.

1. Eksperimentalna postavitev in raziskovalne metode

1.1 Kombinirani tok procesa

Eksperiment kombiniranega postopka A2O-MBBR + CWs je sprejel serijsko delovanje enote A2O, mokrišča podzemnega toka na osnovi ogljika-in ekološkega ribnika. Enota A2O je bila sestavljena iz zaprtega anaerobnega-anoksičnega kontaktnega rezervoarja in aerobnega membranskega rezervoarja (MBBR). Tako zaprta anaerobna posoda kot območje prezračevanja aerobne posode MBBR sta bila napolnjena s suspendiranim nosilnim medijem za biofilm, da se zagotovijo pritrdilne površine za mikroorganizme, da tvorijo biofilme. Aktivno blato in biofilm v rezervoarjih sta sobivala in tvorila sistem IFAS, ki je lahko stabilno vzdrževal sistemsko biomaso. Zgoščeni anoksični rezervoar je izboljšal proces denitrifikacije z recirkulacijo nitrificirane tekočine. Aerobni rezervoar MBBR je imel na dnu prezračevalni sistem za izboljšanje učinkovitosti nitrifikacije. Dozirna odprtina za polialuminijev klorid (PAC) je bila nameščena znotraj rezervoarja za dodatno kemično odstranjevanje fosforja, kar omogoča učinkovito odstranjevanje fosforja. Enota CWs je vključevala mokrišče-podpovršinskega toka na osnovi ogljika in potopljeni rastlinski ekološki ribnik. Mokrišče, ki temelji na-podpovršinskem toku, zgrajeno s tri{17}}stopenjskim filtrirnim sistemom. Prezračevalne plošče so bile nameščene na dnu polnilne cone za povratno pranje medija za ublažitev zamašitve. Potopljeni rastlinski ekološki ribnik je imel na dnu apnenčast substrat in je bil zasajen s-mrazodpornima potopljenima rastlinama Vallisneria natans in Potamogeton crispus. Postavitev je bila postavljena na prostem. V ekološkem ribniku so namestili termometer za spremljanje sezonskih sprememb temperature vode. Podroben potek kombiniranega postopka A2O-MBBR + CWs je prikazan vSlika 1.

1.2 Zasnova nastavitve in operativni parametri

Eksperimentalna postavitev je bila zgrajena s polipropilenskimi ploščami debeline 10 mm. Anaerobni rezervoar s pregradami je bil napolnjen s kvadratnim nosilnim medijem za biofilm in je vseboval odbojne plošče. Razmerje recirkulacije mešane tekočine za anoksični rezervoar s pregradami je bilo 50 %~150 %, vseboval pa je tudi odbojne plošče. Aerobni rezervoar MBBR je bil s pregrado razdeljen na cono aerobnega prezračevanja in cono usedanja. Območje prezračevanja je bilo napolnjeno s suspendiranim nosilnim medijem MBBR z razmerjem zrak-:-voda 6:1~10:1. Sedimentacijsko območje je imelo odprtino za doziranje PAC in nagnjene plošče za pomoč pri usedanju. Mokrišče podpovršinskega toka, ki temelji na ogljiku-: primarno polnilno območje je bilo napolnjeno z apnencem (~5 cm premera), sekundarno polnilno območje z zeolitom (~3 cm v premeru), terciarno polnilno območje pa s polnilom iz blata z bioogljem (~0,5~1,0 cm v premeru). Višina polnila za vsako cono je bila 75 cm. Med primarno in sekundarno polnilno cono je bilo nastavljeno območje vrzeli, široko približno 4 cm, za funkcije, kot so dodajanje zunanjih virov ogljika, opazovanje in vzdrževanje/praznjenje (med tem poskusom ni bil dodan vir ogljika). Potopljen rastlinski ekološki ribnik je bil napolnjen z apnenčastim polnilom (premer ~ 3 cm) v višini 20 cm. Potopljene rastline smo sadili na razdaljo med vrstami 10 cm in med rastlinami 10 cm. V poskusu je bila uporabljena surova odpadna voda iz vaške čistilne naprave v Hefeiju kot dotok. Eksperimentalno obdobje je trajalo od 25. maja 2022 do 17. januarja 2023 in skupaj 239 dni. Potopljene rastline so bile pobrane enkrat 2. decembra, približno enkrat na 6 mesecev. Projektirana zmogljivost čiščenja odpadne vode je bila 50~210 L/d. Podrobni konstrukcijski parametri namestitve so prikazani vTabela 1.

1.3 Eksperimentalne metode

1.3.1 Načrt eksperimenta

1.3.1.1 Preskus optimalne zmogljivosti čiščenja odpadne vode

Po uspešnem poskusnem obratovanju eksperimentalne postavitve (stabilna kakovost iztoka) je bil od 25. maja 2022 do 30. junija 2022 izveden test optimalne zmogljivosti čiščenja odpadne vode. V pogojih vzdrževanja razmerja zrak-:-voda v aerobnem rezervoarju 6:1, razmerja recirkulacije nitrificirane tekočine 100 % in uporabe PAC (vsebnost Al2O3 28 %) približno 3,7 g/d, se je zmogljivost čiščenja odpadne vode v napravi postopoma povečevala (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 L/d). Spremljali smo spremembe kakovosti odplak, da bi raziskali optimalno zmogljivost čiščenja odpadne vode v napravi. V tem obdobju se je temperatura vode gibala med 24,5~27,1 stopinj. Da bi zagotovili stabilno skladnost odplak v zimskem času, je bil sprejet standard za odplake razred A standard GB 18918-2002 "Standard izpusta onesnaževal za komunalne čistilne naprave".

1.3.1.2 Preskus celotne učinkovitosti obdelave kombiniranega postopka

Testno obdobje je trajalo od 1. julija 2022 do 17. januarja 2023. Optimalna zmogljivost čiščenja odpadne vode je bila postavljena na 120 L/d. Razmerje med zrakom-in-vodo v aerobnem rezervoarju je bilo 6:1~10:1, razmerje recirkulacije mešane tekočine pa 50%~150%. Indikatorji kakovosti dotočne in odpadne vode (TN, TP, ŠT₃^--N, NH₄⁺-N in COD) iz vsake procesne enote so bili nadzorovani. Zabeležene so bile spremembe temperature vode med preskusnim obdobjem (pod vplivom sezonskega podnebja). Analizirana je bila učinkovitost čiščenja kombiniranega postopka A2O-MBBR + CWs za podeželske gospodinjske odpadne vode in raziskan je bil vpliv sezonskih sprememb temperature vode na učinkovitost kombiniranega postopka.

1.3.2 Vzorčenje

Med preskusnim obdobjem so bili vzorci odvzeti neredno (približno 1-2-krat na teden) za testiranje kakovosti vode. Vzorci so bili zbrani iz dotoka namestitve, odplak iz anaerobnih-anoksičnih rezervoarjev, aerobnih odplak iz rezervoarjev MBBR, odplak iz podpovršinskih mokrišč na osnovi ogljika in odplak iz ekoloških ribnikov potopljenih rastlin. Vzorci dotoka so bili vzeti iz dovodne cevi naprave, vzorci odplak pa iz iztoka vsake enote. Testiranje indikatorja kakovosti vode je bilo zaključeno na isti dan vzorčenja. Testirani indikatorji so vključevali TN, TP, NO₃^--N, NH₄⁺-N in COD. Vsakič, ko so bili odvzeti vzorci, je bil zabeležen odčitek temperature vode s termometra v ekološkem ribniku (variira med 0~32 stopinj). Temperatura vode v ekološkem ribniku se je naravno spreminjala s sezonskimi temperaturnimi razlikami. Načrtovani standard iztoka za eksperimentalno postavitev je sledil standardu stopnje A iz DB 34/3527-2019 "Standard izpusta onesnaževal vode za podeželske naprave za čiščenje gospodinjskih odpadnih voda". Načrtovane dotočne koncentracije in standardi odplak so podrobno opisani vTabela 2.

1.3.3 Metode analize kakovosti vode

Koncentracija TN v vzorcih vode je bila določena z uporabo HJ 636-2012 "Kakovost vode - Določanje celotnega dušika - UV spektrofotometrična metoda razgradnje alkalnega kalijevega persulfata". št₃^--Koncentracija N je bila določena z uporabo HJ/T 346-2007 »Kakovost vode - Določanje nitratnega dušika – ultravijolična spektrofotometrija (poskus)«. NH₄⁺-Koncentracija N je bila določena z uporabo HJ 535-2009 "Kakovost vode - Določanje dušika v amoniaku - Nesslerjevo reagentno spektrofotometrijo". KPK je bila določena z uporabo HJ 828-2017 "Kakovost vode - Ugotavljanje kemične potrebe po kisiku - Dihromatna metoda". Koncentracija TP je bila določena z uporabo GB 11893-1989 "Kakovost vode - Določanje celotnega fosforja - Spektrofotometrična metoda z amonijevim molibdatom".

2. Rezultati in razprava

2.1 Vpliv zmogljivosti čiščenja odpadne vode na učinkovitost kombiniranega procesa

Kot je prikazano vSlika 2 (a) (b), ko se je dnevna zmogljivost čiščenja odpadne vode postopoma povečala s 50 L/d na 210 L/d, se je učinkovitost odstranjevanja TN in NH₄⁺-N za vsako enoto kombiniranega procesa je pokazal trend padanja. Stopnja odstranitve TN se je zmanjšala z 91,55 % (50 L/d) na 52,17 % (210 L/d) in NH₄⁺-Stopnja odstranitve N se je zmanjšala s 97,47 % (70 L/d) na 80,68 % (210 L/d). Razlog za to je, da povečanje dnevne zmogljivosti čiščenja odpadne vode skrajša hidravlični zadrževalni čas, kar skrajša čas, ki je na voljo mikroorganizmom za razgradnjo onesnaževal, kar ima za posledico slabšo učinkovitost čiščenja. Med njimi je enota A2O največ prispevala k TN in NH₄⁺-N odstranitev. Povprečna dotočna koncentracija TN za to enoto je bila 38,68 mg/L, odpadna voda 16,87 mg/L, s stopnjo odstranitve 56,29 %. Povprečni dotok NH₄⁺-Koncentracija N je bila 36,29 mg/L, iztok je bil 5,50 mg/L, s stopnjo odstranitve 84,85 %. Za mokrišče podzemnega toka, ki temelji na ogljiku, je bila povprečna dotočna koncentracija TN 16,87 mg/L, odpadna voda 11,96 mg/L, s stopnjo odstranitve 29,10 %. Za potopljeni rastlinski ekološki ribnik je bila povprečna dotočna koncentracija TN 11,96 mg/L, iztok 9,47 mg/L, s stopnjo odstranitve 20,82 %. Učinkovitost odstranjevanja dušika v mokrišču-podpovršinskega toka na osnovi ogljika je bila boljša kot pri ekološkem ribniku, ker je anaerobno-anoksično okolje mokrišča podpovršinskega toka primernejše za denitrifikacijo. Vendar pa je NH₄⁺-Učinkovitost odstranjevanja dušika v ekološkem ribniku je bila boljša kot pri mokrišču s podzemnim tokom. Povprečni dotok NH₄⁺Koncentracija -N za mokrišče podzemnega toka na osnovi ogljika je bila 5,50 mg/L, iztok je bil 4,04 mg/L, s stopnjo odstranitve le 26,53 %. Za ekološki ribnik je povprečni dotok NH₄⁺-Koncentracija N je bila 4,04 mg/L, iztok je bil 2,38 mg/L, s stopnjo odstranitve 41,07 %. To je zato, ker je aerobno okolje ekološkega ribnika bolj primerno za nitrifikacijo, pretvorbo več NH₄⁺-N v NE₃^--N, kar povzroči višji NH₄⁺-N stopnja odstranitve. Ko je zmogljivost čiščenja odpadne vode dosegla 150 L/d, je bila koncentracija TN v iztoku 15,11 mg/L, kar je preseglo standard razreda A GB 18918-2002. Zato je bila za zagotovitev stabilne skladnosti s TN največja zmogljivost čiščenja odpadne vode 120 L/d. Ko je zmogljivost čiščenja odpadne vode dosegla 210 L/d, je iztok NH₄⁺-Koncentracija N je bila 7,07 mg/L, kar je preseglo standard stopnje A GB 18918-2002. Zato je največja zmogljivost čiščenja odpadne vode za NH₄⁺-N skladnost je bila 180 L/d.

Kot je prikazano vSlika 2 (c)je bila povprečna vstopna KPK pod 100 mg/L, kar kaže na nizko vsebnost organskih snovi. Povečanje zmogljivosti čiščenja odpadne vode ni bistveno vplivalo na odstranitev KPK, s stopnjami odstranitve KPK med 75 % ~ 90 %. Ko se je zmogljivost čiščenja odpadne vode povečala s 50 L/d na 210 L/d, je bila povprečna KPK v iztoku 19,16 mg/L, z najvišjo KPK v iztoku 26,07 mg/L, kar je še vedno daleč pod standardom 50 mg/L GB 18918-2002 stopnje A. Enota A2O je največ prispevala k odstranitvi KPK, ker je naprava za prezračevanje v aerobni rezervoar MBBR je ustvaril aerobno okolje, ki je povečalo biokemično zmogljivost aerobnih mikroorganizmov in okrepilo odstranjevanje KPK. Poleg tega je recirkulacija nitrificirane tekočine v enoti A2O omogočila zmedenemu anoksičnemu rezervoarju za nadaljnjo uporabo organske snovi v odpadni vodi kot vir ogljika, pri čemer je bil odstranjen del COD in hkrati izboljšana denitrifikacija. Mokrišče-podpovršinskega toka, ki temelji na ogljiku, je drugo največje prispevalo k odstranjevanju KPK. Njegovo anaerobno-anoksično okolje je ugodno za uporabo organskih snovi v odpadni vodi kot vir ogljika, pri čemer razgradi del organskih snovi in ​​hkrati poveča denitrifikacijo, zato je tudi bolje odstranil TN. Poleg tega lahko substratna plast mokrišča podzemnega toka adsorbira nekaj organske snovi. Ekološki ribnik je imel omejen učinek na razgradnjo KPK. Povprečna dotočna KPK za ekološki ribnik je bila 22,21 mg/L, večina lažje biološko razgradljivih organskih snovi pa je bila že razgrajena, ostale pa so težje razgradljive organske snovi.

Kot je prikazano vSlika 2 (d), ko se je zmogljivost čiščenja odpadne vode povečala, je koncentracija TP v iztoku ostala stabilna. Povečanje zmogljivosti čiščenja odpadne vode ni bistveno vplivalo na odvzem TP. Povprečna dovodna koncentracija TP je bila 3,7 mg/L, povprečna koncentracija iztoka pa 0,18 mg/L, s povprečno stopnjo odstranitve 95,14 %, kar kaže na dobro odstranitev TP. TP je bil v glavnem odstranjen v enoti A2O. Dotočna koncentracija TP za enoto A2O je bila 3,7 mg/L, iztok pa le 0,29 mg/L, kar je boljše od standarda 0,5 mg/L GB 18918-2002 stopnje A. To je zato, ker enota A2O ni samo biološko odstranila fosforja z organizmi, ki kopičijo fosfor (PAO), ampak je bila tudi dopolnjena s kemikalijami odstranitev fosforja z odmerjanjem 3,7 g/dan PAC. Kombinacija biološkega in kemičnega odstranjevanja fosforja je povzročila, da je bilo v enoti A2O odstranjenega več kot 90 % fosforja. Mokrišče s podzemnim tokom in ekološki ribnik sta se za odstranjevanje fosforja v glavnem zanašala na mehanizme, kot so adsorpcija substrata, sedimentacija, vnos rastlin in mikrobna razgradnja. Poleg tega je bila koncentracija TP, ki vstopa v mokrišče, že tako nizka kot 0,29 mg/L, zaradi česar je nadaljnje odstranjevanje težje. Ti skupni razlogi so privedli do splošne učinkovitosti odstranjevanja TP mokrišča in ekološkega ribnika.

Zato je bila za zagotovitev stabilne skladnosti vseh indikatorjev odpadne vode s standardom GB 18918-2002 razreda A optimalna zmogljivost čiščenja odpadne vode za ta proces določena na 120 L/d.

2.2 Učinkovitost odstranjevanja onesnaževal pri kombiniranem postopku

2.2.1 Učinkovitost odstranjevanja COD

Kot je prikazano vSlika 3, med celotnim obdobjem testiranja učinkovitosti čiščenja (od 1. julija 2022 do 17. januarja 2023, zmogljivost čiščenja odpadne vode 120 L/d) je temperatura vode pokazala nihajoč trend zniževanja z 32 stopinj na 0 stopinj. Stopnja odstranjevanja KPK je nihala, znižanje temperature vode pa ni imelo očitnega vpliva na odstranjevanje KPK. V kombinaciji zSlika 4, se je stopnja odstranitve KPK gibala med 66,16 % ~ 82,51 %, na kar je predvsem vplivala koncentracija KPK. Študije kažejo, da je v anaerobnih/anoksičnih pogojih odstranitev KPK v glavnem odvisna od delovanja mikrobov. Postopek A2O-MBBR+CWs izmenjuje anaerobne-anoksične-oksične-anoksične-oksične pogoje, kar izboljša odstranjevanje KPK. Med delovanjem, ko se je temperatura vode znižala, je COD v iztoku med 80~136 mg/L ostal stabilen pod 50 mg/L, kar je v skladu s standardom stopnje A DB 34/3527-2019, kar kaže na dobro organsko razgradnjo. Sekcija A2O je največ prispevala k odstranitvi KPK. Zmedeni anaerobni-anoksični kontaktni rezervoar je imel povprečno stopnjo odstranitve KPK 43,38 %, kar predstavlja 65,43 % skupne odstranitve KPK. Aerobni rezervoar MBBR je imel povprečno stopnjo odstranitve 14,69 %, kar je predstavljalo 19,87 % celotne količine. Oddelek A2O je prispeval več kot 85 % k odstranitvi KPK, pri čemer je imel koristi od velike specifične površine medija v zaprtem anaerobnem rezervoarju in aerobnem rezervoarju MBBR, visoke koncentracije blata in oblikovanja prehranjevalne verige iz bakterij → protozojev → metazojev, ki učinkovito razgrajujejo organske snovi v vodi. Visoka biotska raznovrstnost sistema IFAS je zagotovila dobro organsko odstranjevanje tudi pri temperaturnih spremembah. Poleg tega bi del topne organske snovi v odpadni vodi v zaprtem anaerobno-anoksičnem kontaktnem rezervoarju uporabili kot vir ogljika z denitrifikacijskimi bakterijami. Medtem je recirkulirana mešana tekočina povečala NO₃^--Koncentracija N v zaprtem anoksičnem rezervoarju, ki spodbuja uporabo virov ogljika z denitrifikacijskimi bakterijami za pretvorbo NO₃^--N/NE₂^--N v dušikov plin. Visoka stopnja odstranjevanja KPK v zmedenem anaerobnem-anoksičnem kontaktnem rezervoarju dodatno potrjuje, da lahko ta proces učinkovito uporabi organsko snov v odpadni vodi kot vir ogljika za denitrifikacijo. Mokrišče podzemnega toka, ki temelji na ogljiku, je imelo povprečno stopnjo odstranitve KPK 7,18 %, kar predstavlja 9,18 % skupne odstranitve KPK. Anaerobno/anoksično okolje mokrišča s podzemnim tokom je ugodno za mikroorganizme, ki uporabljajo organsko snov kot vir ogljika, s čimer dosežejo odstranitev KPK in hkrati izboljšajo denitrifikacijo. Sorodne raziskave tudi kažejo, da lahko polnilo z bioogljem adsorbira organske snovi z elektrostatično privlačnostjo in medmolekularnimi vodikovimi vezmi. Zato bi polnilo z bioogljem v blatu v mokrišču podzemnega toka prav tako adsorbiralo nekaj organske snovi. Ekološki ribnik s potopljenimi rastlinami je imel povprečno stopnjo odstranitve KPK le 3,68 %, ker je bila KPK, ki je vstopila v ribnik, v povprečju že nizka in je bila v povprečju 30,59 mg/L in je bila večinoma sestavljena iz ognjevzdržnih organskih snovi, odstranjenih predvsem z adsorpcijo in absorpcijo rastlin, z omejenim učinkom.

2.2.2 Učinkovitost odstranjevanja dušika

Kot je prikazano vSlika 3, ko se je temperatura vode postopoma znižala z 32 stopinj na 12 stopinj, TN in NH₄⁺-N stopnje odstranitve so nihale. Povprečna stopnja odstranitve TN je dosegla 75,61 %, povprečna NH₄⁺-Stopnja odstranitve N je dosegla 95,70 %. Ko je temperatura vode padla pod 12 stopinj, TN in NH₄⁺-N stopnje odstranitve so pokazale hiter padajoči trend, vendar so povprečne stopnje odstranitve še vedno dosegle 58,56 % oziroma 80,40 %. To je zato, ker je sezonsko znižanje temperature vode zaviralo mikrobno aktivnost in oslabilo denitrifikacijsko učinkovitost. Glede na statistične rezultate koncentracij onesnaževal v dotoku in iztoku v obdobju obratovanja kombiniranega procesa (1. julij 2022 do 17. januar 2023), prikazanih vTabela 3povprečni dotok TN in NH₄⁺-Koncentracije N so bile 36,56 mg/L oziroma 32,47 mg/L. NH₄⁺-N je predstavljal 88,81 % TN. Vplivna ŠT₃^--N (0,01 mg/L) je bil skoraj zanemarljiv. Povprečni iztok TN in NH₄⁺-Koncentracije N so bile 11,69 mg/L oziroma 3,5 mg/L, obe sta ustrezali standardu stopnje A DB 34/3527-2019. Povprečni iztok NO₃^--Koncentracija N je bila 6,03 mg/L, kar kaže na dobro nitrifikacijsko zmogljivost tega procesa, ki pretvarja NH₄⁺-N do NE₃^--N. Vendar kopičenje NO₃^--N v iztoku kaže, da je še vedno prostor za nadaljnjo denitrifikacijo. Kot je prikazano vSlika 5 (a), je bila odstranitev TN največja v odseku A2O. Zmedena anaerobna-anoksična kontaktna posoda je imela povprečno stopnjo odstranitve TN 44,25 %, aerobna posoda MBBR pa povprečno stopnjo odstranitve TN 9,55 %. To je rezultat kombiniranega delovanja nitrifikacijskih bakterij v aerobnem območju in denitrifikacijskih bakterij v anoksičnem območju. Mokrišče, zgrajeno-na osnovi ogljika, je imelo povprečno stopnjo odstranitve TN 11,07 %, ker njegova sposobnost sproščanja virov ogljika in njegovo anaerobno/anoksično okolje vodita k denitrifikaciji in ohranjata določeno zmogljivost odstranjevanja dušika. Ekološki ribnik s potopljenimi rastlinami je imel povprečno stopnjo odstranitve TN le 3,54 % s splošno učinkovitostjo odstranjevanja, ker njegovo aerobno okolje ni ugodno za denitrifikacijo. Kot je prikazano vSlika 5 (b), NH₄⁺-Odstranitev N je bila primarno zaključena v razdelku A2O. Zmedeni anaerobni-anoksični kontaktni rezervoar je imel NH₄⁺-Stopnja odstranjevanja N 59,46 %, aerobni rezervoar MBBR pa je imel NH₄⁺-Stopnja odstranitve N 24,24 %. Odsek A2O je predstavljal 93,57% celotnega NH₄⁺-N odstranitev. Visok NH₄⁺-Odstranjevanje N v delu A2O je posledica stalnega prezračevanja v aerobnem rezervoarju MBBR, kar omogoča nitrifikacijskim bakterijam, da v celoti izkoristijo DO za pretvorbo NH₄⁺-N do NE₃^--N. To se nato ponovno kroži v anoksični rezervoar, kjer denitrifikacijske bakterije pretvorijo NO₃^--N do N2 za odstranitev. Med testnim obdobjem je bila povprečna stopnja odstranitve TN 68,40 % in povprečna NH₄⁺-Stopnja odstranjevanja dušika je bila 89,45 %, kar kaže na dobro učinkovitost odstranjevanja dušika.

Kot je prikazano vSlika 3, ko se je temperatura vode znižala z 32 stopinj na 0 stopinj, se je stopnja odstranitve TN zmanjšala z največ 79,19 % na 51,38 %. V kombinaciji zSlika 5 (a), when water temperature was >20 stopinj je povprečna stopnja odstranitve TN presegla 75 % s povprečno koncentracijo iztoka 8,41 mg/L, ker je mikrobna aktivnost višja v območju 20~32 stopinj, kar vodi k boljši denitrifikaciji, skladno z raziskavo Zhang Na et al. Ko se je temperatura vode znižala z 20 stopinj na 5 stopinj, se je povprečna stopnja odstranitve TN zmanjšala na 65,44 %, povprečna koncentracija iztoka pa se je povečala na 12,70 mg/L. Ko je bila temperatura vode 0~5 stopinj, se je povprečna stopnja odstranitve TN zmanjšala na 52,75 %, povprečna koncentracija iztoka pa se je povečala na 17,62 mg/L, kar kaže na določen vpliv na odstranitev TN. Študije kažejo, da je z nižanjem temperature vode aktivnost mikrobov zavrta. Pri temperaturi vode<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 stopinj, učinkovitost odstranjevanja TN je dobra, pri čemer je iztok stabilen pod 15 mg/L. Na tej točki, ob upoštevanju drugih onesnaževal, se lahko zmogljivost čiščenja odpadne vode ustrezno poveča.

Kot je prikazano vSlika 3, ko se je temperatura vode postopoma zniževala, je NH₄⁺-Stopnja odstranitve dušika se je zmanjšala z največ 99,52 % na najmanj 74,77 %, odpadni NH₄⁺-Koncentracija N se je povečala z najmanj 0,17 mg/L na 8,40 mg/L. Znižanje temperature vode zavira aktivnost nitrifikacijskih in nitrifikacijskih bakterij, kar zmanjšuje NH₄⁺-N removal. However, when water temperature >12 stopinj, povprečni iztok NH₄⁺-Koncentracija N je bila 1,58 mg/L. Kadar je temperatura vode manjša ali enaka 12 stopinj, je povprečni iztok NH₄⁺-Koncentracija N se je povečala na 6,58 mg/L, vendar izpadni NH₄⁺-N je vedno izpolnjeval standard stopnje A DB 34/3527-2019. Ko je bila temperatura vode 20 ~ 32 stopinj, je bil povprečni NH₄⁺-Stopnja odstranitve N je presegla 96 %. V kombinaciji zSlika 5 (b), iztok NH₄⁺-Koncentracija N je bila v tem območju pod 2 mg/L, kar kaže na visoko aktivnost nitrificirajočih bakterij in odličen splošni NH₄⁺-N odstranitev. Ko se je temperatura vode postopoma znižala z 20 stopinj na 12 stopinj, je povprečni NH₄⁺-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12 stopinj je primerna za rast nitrifikacijskih bakterij, ki spodbujajo nitrifikacijo. Zato je NH₄⁺-N je vzdrževal visoke stopnje odstranjevanja v območju 12–20 stopinj. Ko se je temperatura vode postopoma znižala z 12 stopinj na 0 stopinj, je povprečna NH₄⁺-Stopnja odstranitve N je še vedno dosegla 80 %. Obstoječe raziskave kažejo, da nitrifikacijske bakterije skoraj izgubijo sposobnost nitrifikacije pri 0 stopinjah. Vendar pa rezultati te študije kažejo, da tudi pri 0 stopinjah NH₄⁺-Stopnja odstranitve N je presegla 75 %, kar kaže na dobro nitrifikacijsko učinkovitost tega postopka pri nizkih temperaturah. To je zato, ker ima sistem IFAS v razdelku A2O-MBBR te študije dolgo starost biofilmskega blata do približno 1 meseca, zaradi česar temperatura nitrifikacije v biokemični posodi veliko manj vpliva na temperaturo kot pri tradicionalnih postopkih z aktivnim blatom, kar znatno izboljša učinkovitost nitrifikacije pri nizkih zimskih temperaturah. Raziskava Wei Xiaohan et al. prav tako kaže, da je glavni razlog za ne-skladno NH₄⁺-N odpadna voda v pogojih nizke temperature vode je nezadostna starost aktivnega blata, pri čemer je vpliv temperature na aktivnost nitrifikatorja drugotnega pomena. Čeprav je znižanje temperature vode do neke mere vplivalo na aktivnost nitrifikatorja, je zadostna starost blata v tem procesu zagotovila NH₄⁺-Odstranjevanje N pri nizkih temperaturah. Med preskusnim obdobjem je povprečni iztok NH₄⁺-Koncentracija N je bila 3,50 mg/L, kombinirani postopek pa je pokazal dobro in stabilno učinkovitost nitrifikacije.

2.2.3 Učinkovitost odstranjevanja fosforja

Kot je prikazano vSlika 3, se je stopnja odstranitve TP malo spreminjala s spremembami temperature vode in je ostala stabilna nad 94 %. V kombinaciji zSlika 6, dotočna koncentracija TP je znašala od 3,03 do 4,14 mg/L, koncentracija TP v iztoku pa je bila od 0,14 do 0,28 mg/L, kar ustreza standardu stopnje A DB 34/3527-2019. Ta proces temelji na kombiniranem delovanju biološkega odstranjevanja fosforja (s PAO) in kemičnega odstranjevanja fosforja (s PAC). Ko se temperatura vode zniža, je aktivnost PAO zavrta, kar vpliva na biološko odstranjevanje fosforja. Vendar ta postopek dopolnjuje kemično odstranjevanje fosforja z odmerjanjem 3,7 g/dan PAC, ohranja stabilno stopnjo odstranjevanja TP in zmanjšuje vpliv sprememb temperature vode na odstranjevanje fosforja v kombiniranem procesu. Enota A2O je imela najboljšo zmogljivost odstranjevanja TP. Povprečna koncentracija TP v iztoku anaerobne-anoksične enote je bila 2,48 mg/L, s stopnjo odstranitve 32,61 %. Povprečna koncentracija TP v iztoku aerobne enote je bila 0,29 mg/L, s stopnjo odstranitve 59,51 %. Skupna stopnja odstranitve TP za enoto A2O je bila 92,12 %. Zmedena zasnova odseka A2O-MBBR lahko v veliki meri odstrani nitratni dušik, ki ga prenaša krožna mešana tekočina, kar omogoča anaerobnim PAO, da temeljiteje sproščajo fosfor v anaerobnem delu in ga bolj absorbirajo v aerobnem delu, kar izboljša biološko odstranjevanje fosforja. Poleg tega je kemična odstranitev fosforja z odmerjanjem na eni strani aerobnega rezervoarja MBBR ohranila stabilno stopnjo odstranitve TP, pri čemer je bila kakovost odplak stalno boljša od standarda stopnje A iz DB 34/3527-2019. Biološka odstranitev fosforja v odseku A2O-MBBR se v glavnem zgodi, ko PAO v zaprtem anaerobnem rezervoarju uporabijo vire ogljika za pretvorbo dela organske snovi in ​​hlapnih maščobnih kislin v polihidroksialkanoate (PHA). Ko odpadna voda teče iz zaprtega anaerobnega rezervoarja v aerobni rezervoar MBBR, PAO nato uporabijo PHA kot donorje elektronov za dokončanje privzema fosforja. Vendar pa aktivnost PAO zlahka vpliva na učinkovitost biološkega odstranjevanja fosforja, nizka temperatura vode pa omejuje aktivnost PAO. Zato je bilo za dosego stabilnega odstranjevanja fosforja v zasnovo postopka vključeno kemično odstranjevanje fosforja. Poleg tega adsorpcija s substratno plastjo v mokrišču podzemnega toka na osnovi ogljika in rast potopljenih rastlin v ekološkem ribniku prav tako absorbira nekaj fosforja.

Če povzamemo, je nastavitev med preskusnim obdobjem delovala stabilno, z dobro splošno učinkovitostjo odstranjevanja onesnaževal. Kombinirani postopek A2O-MBBR + CWs je dosegel povprečno stopnjo odstranitve 68,40 %, 89,45 %, 73,94 % in 94,04 % za TN, NH₄⁺-N, COD oziroma TP. Povprečne koncentracije v iztoku so bile 11,69 mg/L, 3,50 mg/L, 26,9 mg/L oziroma 0,22 mg/L, pri čemer so vse ustrezale standardu stopnje A iz DB 34/3527-2019. Raziskava Wu Qiong et al. kaže, da je A2O-MBBR sestavljen proces aktivnega blata in biofilma, ki ga odlikuje velika količina mikrobov, dolga starost blata, visoka volumetrična obremenitev, majhen volumen in odtis, velika odpornost na udarne obremenitve, dobra kakovost iztoka in stabilno delovanje. Poleg tega je denitrifikacijska učinkovitost postopkov z biofilmom pozimi boljša kot pri procesih z aktivnim blatom, zaradi česar je pozimi primernejša za čiščenje odpadne vode pri nizkih{15}}temperaturah. To je tudi glavni razlog za dobro učinkovitost odstranjevanja onesnaževal na odseku A2O-MBBR v tej študiji. Kombinirani postopek A2O-MBBR + CWs v tej študiji doda cono obdelave s poliranjem CWs na podlagi postopka A2O-MBBR, kar dodatno izboljša splošno učinkovitost čiščenja in stabilnost delovanja postopka. Odstranitev TN in NH₄⁺-Sezonske spremembe temperature vode so manj vplivale na N, medtem ko sezonska temperatura vode skoraj ni vplivala na odstranitev KPK in TP. Med preskusnim obdobjem je pokazal močno odpornost na udarne obremenitve, zaradi česar je primeren za uporabo na podeželju z velikimi nihanji v kakovosti in količini gospodinjskih odpadnih voda.

2.3 Ekonomska analiza kombiniranega procesa

Stroški tega kombiniranega procesa vključujejo predvsem stroške gradnje in obratovalne stroške čiščenja odpadne vode. Stroški gradnje so bili za postavitev eksperimentalne postavitve, vključno z nakupom ohišij rezervoarjev, pomožne električne opreme, medijev, potopljenih naprav in cevnih priključkov, skupaj približno 3000 CNY. Na podlagi največje zmogljivosti čiščenja odpadne vode med poskusom 0,18 m³/d je strošek gradnje na m³ prečiščene odpadne vode približno 16.700 CNY. Stroški delovanja v glavnem izhajajo iz delovanja namestitve, vključno s porabo energije opreme, stroški kemikalij, stroški odstranjevanja blata in stroški dela. Električna oprema vključuje: dovodno črpalko (moč 2 W, Q=2.8 m³/d), obtočno črpalko (moč 2 W, Q=2.8 m³/d), aerator (moč 5 W, stopnja prezračevanja=5 L/min) in peristaltično dozirno črpalko (moč 2 W). Izračunano na podlagi dejanske maksimalne porabe moči: dovodna črpalka 0,13 W, obtočna črpalka 0,19 W, aerator 1,25 W, dozirna črpalka 2 W. Skupna dejanska poraba moči je 0,00357 kW, dnevna poraba energije 0,086 kWh. Poraba električne energije na m³ prečiščene odpadne vode je 0,48 kWh. Če uporabimo industrijsko ceno električne energije 0,7 CNY/kWh, je cena električne energije 0,33 CNY/m³. Stroški kemikalij PAC so približno 2,4 CNY/kg, poraba 3,7 g/dan. Potreben PAC na m³ odpadne vode je 20,56 g, strošek 0,05 CNY/m³. Stroški odstranjevanja blata=količina blata × stroški odstranjevanja blata na enoto prostornine. Proizvodnja suhega blata na tono vode je 0,09 kg. Na podlagi cene na enoto prevoza in odlaganja blata iz komunalnih čistilnih naprav 60 CNY/tono, stroški odlaganja blata na tono vode=0.09 kg × 0,06 CNY/kg=0.054 CNY. Ker je pilotna postavitev zahtevala samo redne preglede po delovanju, so bili stroški dela ocenjeni na podlagi dejanskih inženirskih izkušenj. Obrat s kapaciteto 10.000 ton na dan upravljata 1–2 osebi. Ob predpostavki, da je plača ene osebe 3000 CNY/mesec, je za 2 osebi kazalnik stroškov dela približno 0,02 CNY/tono vode. Podrobnosti o stroških so prikazane vTabela 4. Če povzamemo, stroški zdravljenja pri operaciji znašajo približno 0,46 CNY/m³. Vendar pa bi se s povečanjem zmogljivosti čiščenja odpadne vode zmanjšali stroški gradnje in obratovanja na tono vode. Stroški gradnje in delovanja med pilotnim preizkusom so samo za referenco.

3. Sklepi

Kombinirani postopek A2O-MBBR + CWs je pokazal dobro učinkovitost pri čiščenju gospodinjske odpadne vode na podeželju. Na odstranitev TP in COD spremembe temperature vode večinoma niso vplivale. Povprečne stopnje odstranitve za 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 stopinj bi lahko kakovost odpadne vode ustrezala standardu razreda A GB 18918-2002 "Standard izpusta onesnaževal za komunalne čistilne naprave". Ta proces lahko učinkovito uporabi organsko snov v sistemu kot vir ogljika za izboljšanje denitrifikacije, pri čemer ohranja več kot 50 % odstranitve TN tudi pri temperaturah vode do 0 stopinj.

Optimalna zmogljivost čiščenja odpadne vode za kombinirani postopek A2O-MBBR + CWs pozimi je bila 120 L/d in 180 L/d v ne-zimskih sezonah. Sezonske spremembe temperature vode (postopno zmanjševanje od 32 stopinj do 0 stopinj) so imele le določen vpliv na odstranitev dušika s kombiniranim postopkom. Stopnja odstranitve TN se je zmanjšala z 79,19 % na 51,38 %, NH₄⁺-Stopnja odstranitve N se je zmanjšala z 99,52 % na 74,77 %. Celo pri 0 stopinjah je kakovost odpadne vode stabilno dosegala standard razreda A DB 34/3527-2019 in NH₄⁺-Stopnja odstranitve N je še vedno dosegla 74,77 %. To ima koristi od sistema IFAS, kjer je blato, staro do 1 meseca, zagotovilo nitrifikacijo pri nizkih temperaturah. Postopek je med preskusnim obdobjem deloval stabilno in je pokazal močno odpornost na spremembe temperature vode.

Predhodni postopek A2O-MBBR je za pritrditev mikrobov uporabil dve vrsti suspendiranih nosilcev biofilma, ki so tvorili sistem IFAS. Mokrišče-podpovršinskega toka na osnovi ogljika je uporabilo več medijev za polnilo, vključno z bioogljem iz blata, apnencem in zeolitom, kar je izboljšalo njegovo učinkovitost filtracije, hkrati pa zagotovilo veliko pritrdilne površine za mikroorganizme, izboljšalo njegovo zmogljivost biološke obdelave. Predhodni postopek A2O-MBBR z IFAS ima visoko koncentracijo biomase. Zadnje kompozitno mokrišče CWs služi kot stopnja obdelave za poliranje, ki dodatno čisti odpadno vodo, zaradi česar je celoten sistem bolj odporen na udarne obremenitve.

Kombinirani postopek A2O-MBBR + CWs je primeren za čiščenje gospodinjskih odpadnih voda na podeželju z velikimi nihanji kakovosti in količine. Deluje stabilno in učinkovito, s stroški obdelave približno 0,46 CNY/m³. Poleg tega je mogoče procesne odseke A2O-MBBR+CWs prilagodljivo prilagoditi glede na različne standarde iztoka, scenarije in namene. Ta kombinirani postopek lahko zagotovi referenco podatkov in osnovo za projekte čiščenja gospodinjskih odpadnih voda na podeželju na Kitajskem, ponudi pot uporabe virov za nedejavne pustinje na podeželju in ima širok potencial tržne uporabe v skladu z nacionalnim trendom (z velikim poudarkom na izboljšanju kakovosti podeželskega okolja.