Verbeterde microbiële behandeling van knoflookafvalwater met behulp van MBBR + A/O-proces
Overzicht
Knoflook afvalwateris voornamelijk afkomstig van snij- en spoelprocessen tijdens de verwerking van knoflook. Het wordt gekenmerkt doorhoge concentraties organisch materiaal, saanzienlijke hoeveelheden stikstof en fosfor, en bevat aanzienlijke hoeveelheden allicine. Allicine (diallylthiosulfinaat) is een vluchtige vloeistof die verantwoordelijk is voor de scherpe geur van knoflook en is chemisch onstabiel en zeer reactief. Allicine kan de groei van verschillende micro-organismen remmen. Het ongezuiverd lozen van hoge-concentratie knoflookafvalwater veroorzaakt ernstige gevolgen voor het milieu. Sommige onderzoekers hebben technieken toegepast zoals membraanfiltratie, Fenton-oxidatie en micro-elektrolyse, maar deze methoden zijn niet effectief geweest voor de behandeling van knoflookafvalwater, en het gebruik van grote doses chemicaliën verhoogt de daaropvolgende behandelingskosten. Veel wetenschappers hebben biologische behandelingsmethoden voorgesteld waarbij gebruik wordt gemaakt van anaërobe-aërobe gecombineerde processen. Vanwege de antibacteriële eigenschappen van allicine zijn micro-organismen echter moeilijk te kweken en is de behandelingsefficiëntie niet ideaal. Daarom ligt de focus van biologische behandeling opmicrobiële stammen cultiveren en acclimatiseren die zich kunnen aanpassen aan knoflookafvalwater en hun biologische afbraak kunnen bevorderen.
Dit onderzoek omvatte het kweken en screenenbacteriestammen die effectief zijn in het afbreken van knoflookafvalwater, die vervolgens werden geïntroduceerd in aBiofilmreactor met bewegend bed (MBBR). Met behulp van geïnoculeerd slib en een stroom-snelheidsverhogende methode voor de vorming van biofilms, werden biofilms ontwikkeld om de verwijdering van stikstof en fosfor uit het afvalwater te verbeteren. Dit werd gevolgd door verdere biochemische A/O (Anoxic/Oxic)-behandeling. Volgens de GB18918-2002-norm kunnen de CZV- en ammoniak-stikstof (NH₃-N)-niveaus in het afvalwater voldoen aan de secundaire norm (CZV: 100 mg/L, NH₃-N: 25-30 mg/L). Dit proces vermindert effectief het organische gehalte in het effluent, waardoor de moeilijkheidsgraad van de daaropvolgende behandelingsfasen wordt verminderd.
1. Experimentele sectie
1.1 Processtroomontwerp
De algehele processtroom voor de behandeling van knoflookafvalwater wordt weergegeven inFiguur 1, met als kerncomponent debiologische afbraak in het MBBR + A/O-systeem. Drie gescreende en geïsoleerde stammen die effectief zijn in het afbreken van knoflookafvalwater: Alcaligenes sp., Acinetobacter sp. en Achromobacter sp. – werden gemengd met actief slib en in de MBBR-eenheid gebracht om de snelle opstart- ervan te vergemakkelijken.
1.2 MBBR + A/O-behandelingsproces
Nadat het knoflookafvalwater door grove en fijne zeven is gegaan om zwevende deeltjes te verwijderen, wordt het rechtstreeks in de MBBR gepompt. De invloedrijke kwaliteit wordt weergegeven inTabel 1. Het effluent uit de MBBR stroomt rechtstreeks naar het A/O-systeem. Vanwege het lage organische gehalte van het MBBR-effluent wordt ruw knoflookafvalwater op passende wijze aan de Oxic (O)-tank toegevoegd als aanvulling op de koolstofbron voor het A/O-proces. Om de slagvastheid van het systeem te testen, werd de organische belasting van de MBBR tijdens continu bedrijf geleidelijk verhoogd en werd de effluentkwaliteit gecontroleerd.
1.3 Procesparameters
1.3.1 Opgeloste zuurstof (DO)
Een te hoge DO in de biofilm kan denitrificatie voorkomen, waardoor de MBBR zijn gelijktijdige nitrificatie- en denitrificatievermogen verliest. Een te lage DO kan leiden tot de proliferatie van filamenteuze bacteriën, waardoor de kwaliteit van het afvalwater wordt aangetast en het nitrificatieproces wordt geremd.
1.3.2 Hydraulische retentietijd (HRT)
Een te korte HRT veroorzaakt intense reactieomstandigheden, waarbij afvalwater dat het meeste organische materiaal bevat, wordt geloosd voordat het volledig is geabsorbeerd. Door de voortdurende instroom blijven micro-organismen in een constante staat van biologische afbraak, waardoor de efficiëntie afneemt en het energieverbruik toeneemt. Een te lange HST leidt tot uitputting van voedingsstoffen; zonder voedingsstoffen verminderen micro-organismen hun activiteit en metabolische eisen om alleen maar te kunnen overleven.
1.3.3 Koolstof-tot-stikstofverhouding (C/N)
Een lage C/N-verhouding kan leiden tot de katalyse van de omzetting van ammoniak in andere stoffen, waardoor de verwijdering van ammoniakstikstof wordt beïnvloed. Het veroorzaakt ook gemakkelijk filamenteuze ophoping, een continue groei die de uitvlokking beïnvloedt, wat leidt tot ophoping van slib en drijvend slib. Een hoge C/N-verhouding is ongunstig voor microbiële biologische afbraak en groei, waardoor de organische belasting van de micro-organismen toeneemt.
1.4 MBBR Biofilm opstarten-
Opstarten van biofilm-: er werd gebruik gemaakt van de methode voor het verhogen van de geïnoculeerde slib + stroom-snelheid. Met MBR-verrijkt actief slib werd in de reactor geïnoculeerd, met een aanvankelijke concentratie Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS) van ongeveer 5,82 g/l. Er werd begonnen met beluchten en polyethyleendragers werden aan de reactor toegevoegd met eenvullingsgraad van ongeveer 60%. DeDOENin de reactor werd gecontroleerdboven 4,0 mg/l. Het influentdebiet werd stapsgewijs verhoogd in stappen van 20 l/u: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 l/u, waarbij elk debiet gedurende 1 dag werd aangehouden. Tijdens deze fase werd geen slib verspild. Er vormde zich een lichtgele biofilm op het oppervlak van de dragers waar micro-organismen zich hechtten en groeiden. Na een succesvolle start-van de biofilm bleef de stabiele werking bestaan, met behoud van eenSlibretentietijd (SRT) van 30 dagen. Tijdens stabiele werking werd de organische laadsnelheid van de MBBR aangepast om de impact ervan op de verwijdering van CZV, stikstof en fosfor te observeren.
2. Resultaten en discussie
2.1 Analyse van de MBBR-effluentkwaliteit tijdens het opstarten van biofilm-
De beluchtingsintensiteit in de MBBR werd aangepast om de DO-concentratie te regelen. Wanneer de DO lager was dan 4,0 mg/l, was de beluchtingsintensiteit onvoldoende om een uniforme, turbulente beweging met hoge stroming van de dragers te ondersteunen, waardoor adequate menging werd voorkomen en het moeilijk werd om een biofilm op de drageroppervlakken te vormen. Wanneer de DO tussen 4,0 en 6,0 mg/l lag, mengden de dragers grondig met het actiefslib en het afvalwater. Er werd een kleurverandering van wit naar geelachtig-bruin op de dragers waargenomen, wat wijst op succesvolle microbiële hechting en groei onder deze beluchtingsintensiteit, zoals weergegeven inFiguur 2.
De variatiecurve van influent en effluent CZV tijdens de opstartfase- wordt weergegeven inFiguur 3(a). De aanvankelijke afname van de behandelingsefficiëntie was te wijten aan de zeer lage hoeveelheid aangehechte micro-organismen op de dragers; de afbraak door micro-organismen in het actiefslib alleen was onvoldoende om de grote hoeveelheid organische stoffen te verwijderen. Naarmate de start- vorderde, nam de hoeveelheid aangehechte micro-organismen op de dragers toe, waardoor geleidelijk een biofilm ontstond. De CZV-concentratie in het effluent stabiliseerde zich geleidelijk en de CZV-verwijderingsefficiëntie stabiliseerde zich boven de 90%.
De variatiecurve van MBBR-influent en effluent NH3-N wordt weergegeven inFiguur 3(b). Door de nitrificatie door aerobe bacteriën in het actiefslib werd ammoniakstikstof effectief verwijderd. Vanaf dag 7 nam de influent NH₃-N-concentratie geleidelijk toe. Op dag 23 nam ook de verwijderingssnelheid toe, hoewel de influent NH3-N nog steeds toenam. Dit kwam doordat nitrificerende bacteriën aanvankelijk langzaam groeien; Na verloop van tijd nam hun populatie toe, werd de biofilm volwassen en nam de NH₃-N-verwijderingssnelheid geleidelijk toe en stabiliseerde zich.
De variatiecurve van MBBR-influent en effluent TN wordt weergegeven inFiguur 3(c). In tegenstelling tot de verwijdering van ammoniak-stikstof nam de efficiëntie van de TN-verwijdering aanvankelijk af. Dit kwam doordat de reactoromgeving voldoende zuurstof- en koolstofbronnen had, waardoor de groei van denitrificerende bacteriën werd beperkt. Naarmate de biofilm zich vormde, begon de efficiëntie van de TN-verwijdering echter te verbeteren. Op dag 20 stabiliseerden het effluent-TN en de verwijderingssnelheid, hoewel de influent-TN-concentratie toenam, variërend tussen 50% en 60%.
De variatiecurve van MBBR-influent en effluent TP wordt weergegeven inFiguur 3(d). Vanaf het begin-tot aan de stabiele werking bleef het TP-verwijderingspercentage stabiel. Hoewel de influent-TP-concentratie aanvankelijk hoog was en later afnam, vertoonde de verwijderingsefficiëntie geen significante verandering, wat erop wijst dat het systeem in staat is fosfor te verwijderen. Het TP-verwijderingspercentage in het systeem bleef tussen 80% en 90%.
Samenvattend,het handhaven van de DO van het MBBR-systeem tussen 4–6 mg/l, een volwassen biofilm ontwikkeld na 20 dagen continu voeren. Vergeleken met traditionele actiefslibprocessen biedt het MBBR-systeem een sterke slagvastheid en een hoge behandelingsefficiëntie, waardoor de moeilijkheidsgraad van de daaropvolgende behandelingsfasen voor het afvalwater van de knoflookverwerking effectief wordt verminderd.
2.2 Analyse van de afvalwaterkwaliteit tijdens stabiele werking
Na de opstartfase van de biofilm- is de biofilm volwassen geworden. Om de slagvastheid van het MBBR-systeem te testen, werd de organische belastingssnelheid tijdens stabiel bedrijf continu verhoogd.
De variatiecurve van MBBR-influent en effluent CZV tijdens stabiele werking wordt weergegeven inFiguur 4(a). Van dag 1 tot en met 5 bleef de CZV-verwijderingsefficiëntie bij constante instroom boven de 95% en bereikte de CZV-concentratie in het afvalwater ongeveer 100 mg/l. Van dag 5 tot en met 20 werd de instroomsnelheid verhoogd, waardoor de organische belasting geleidelijk werd verhoogd van 20 kgCZV/m³·d naar 30 kgCZV/m³·d. Er werd geen significante verandering in de verwijderingsefficiëntie waargenomen en het effluent CZV bleef tussen 80 en 100 mg/l, wat een sterke schokbestendigheid aantoont. Na dag 20 werd de instroomsnelheid verder verhoogd, waardoor de organische belasting in de reactor continu steeg van 30 kgCZV/m³·d naar 37 kgCZV/m³·d, wat gedurende 5 dagen werd gehandhaafd. De CZV-afvoercapaciteit van de MBBR bleef boven de 95%.
Figuren 4(b) en (c)toon de variatiecurven voor respectievelijk NH₃-N en TN tijdens stabiele werking. Van dag 1 tot en met 5 vertoonde de MBBR-biofilm, bij constante instroom, gelijktijdige nitrificatie en denitrificatie. Aërobe nitrificerende bacteriën die zich aan de buitenste laag van de biofilm hechten, volledig gemengd met het afvalwater onder beluchting, consumeerden aanzienlijke stikstofbronnen door nitrificatie. Denitrificerende bacteriën in de binnenste anoxische laag verwijderden effectief nitraatstikstof door denitrificatie. Van dag 5–20, naarmate de instroomsnelheid toenam, nam de verwijderingsefficiëntie van NH₃-N en TN aanvankelijk aanzienlijk af. Na ongeveer 7 dagen continu gebruik paste het systeem zich geleidelijk aan aan. Hoewel het verwijderingsrendement voor NH3-N en TN vervolgens toenam, bleef het lager dan tijdens de laag-periode. Bij constante instroom bereikte de NH₃-N-verwijdering meer dan 90%, met effluent NH₃-N tussen 10–15 mg/l, en werd de TN-verwijdering feitelijk boven de 80% gehouden, met effluent-TN rond 30 mg/l. Nadat de instroom was vergroot en het systeem onder voortdurende invloed een nieuw evenwicht had bereikt, stabiliseerde de NH₃-N-verwijdering zich rond 80%, met effluent NH₃-N tussen 50-70 mg/l, en TN-verwijdering rond 60%, met effluent TN onder 50 mg/l.
De variatiecurve voor TP tijdens stabiele werking wordt weergegeven inFiguur 4(d). De TP-concentratie in het effluent werd in principe rond de 10 mg/l gehouden. Aanvankelijk was het behandelingseffect bij een constant laag debiet en een lage TP-concentratie in het influent beperkt. Naarmate de instroomsnelheid en de influent-TP-concentratie toenamen, werd een hoge zuiveringsefficiëntie bereikt tijdens de impactfase en de daaropvolgende operatie met hoge{4}} belasting, waarbij de TP-verwijderingssnelheid rond de 90% schommelde.
Samenvattend,onder hoge organische belastingschokken bleef de CZV-verwijderingsefficiëntie van het systeem grotendeels onveranderd, maar de verwijdering van NH₃-N en TN daalde aanzienlijker. Toen de organische belasting het maximum van 37 kgCZV/m³·d bereikte, nam de verwijderingsefficiëntie van het systeem voor NH₃-N en TN merkbaar af.
2.3 Analyse van de effluentkwaliteit van het MBBR + A/O-systeem
Na de opstartfase van de biofilm- en een maand van stabiele werking, werd stroomafwaarts een A/O-proces toegevoegd voor geavanceerde behandeling van het MBBR-effluent. Gradiëntmatige verhogingen van de instroomsnelheid werden toegepast om de algehele organische belasting te verhogen, met als doel de optimale instroomsnelheid te bepalen, overeenkomend met de optimale HRT.
De CZV-variatiecurve wordt weergegeven inFiguur 5(a). Het instroomdebiet nam achtereenvolgens toe: 100, 120, 130, 150, 170 L/u. Vanaf de start tot het maximale debiet is de organische belasting op het MBBR-systeem toegenomen van 20 kgCZV/m³·d naar 37 kgCZV/m³·d. Het uiteindelijke effluent uit het gecombineerde systeem bleef stabiel, met een CZV-concentratie van minder dan 100 mg/l. Onder aanhoudende hoge organische belastingsschokken presteerde het MBBR-systeem goed, hoewel de CZV van het effluent een lichte stijging vertoonde toen de stroomsnelheid 150 l/u bereikte. Nadat het debiet van 170 l/u gedurende meerdere dagen werd gehandhaafd, werd een merkbare stijgende trend in het MBBR-effluent CZV waargenomen. Met het daaropvolgende A/O-proces werd het uiteindelijke effluent van het gecombineerde systeem echter nog steeds onder de 100 mg/l gehouden. Dit geeft aan dat zelfs onder de hoge organische belastingschok van 37 kgCZV/m³·d het gecombineerde proces nog steeds een sterk verwijderingseffect heeft op het afvalwater van de knoflookverwerking.
De variatiecurven voor NH3-N en TN worden weergegeven inFiguren 5(b) en (c)respectievelijk. Afvalwater van knoflookverwerking bevat hoge concentraties ammoniak-stikstof en totaal-stikstof, die in de loop van de tijd verder kunnen toenemen als gevolg van oxidatie. Normaal gesproken varieert de ammoniakstikstofconcentratie van 300–500 mg/l, en de totale stikstofconcentratie van 450–600 mg/l. Onder de gelijktijdige nitrificatie en denitrificatie in de MBBR was de verwijdering van ammoniakstikstof effectiever, waarschijnlijk omdat nitrificerende bacteriën het afvalwater efficiënter gebruiken onder beluchting. Denitrificerende bacteriën vereisen anoxische omstandigheden en zijn voor denitrificatie vaak afhankelijk van geconsumeerde organische koolstof. Bij het verhogen van de instroomsnelheid stond de verwijderingsefficiëntie van NH3-N en TN voorop. Van dag 1 tot en met 4 bleef de NH₃-N-verwijderingssnelheid, vanwege het lage debiet en de matige NH₃-N, boven de 90% en nam de efficiëntie van de TN-verwijdering geleidelijk toe. Vervolgens werd de instroom aanzienlijk verhoogd. Er werd duidelijk waargenomen dat naarmate de instroomsnelheid toenam, de effluentconcentraties van NH3-N en TN in verschillende stadia achtereenvolgens toenamen, waarbij hogere instroomsnelheden leidden tot hogere effluentconcentraties. Naarmate de stroomsnelheid toenam, nam de biomassa op de biofilmdragers toe, waardoor de nitrificatie werd bevorderd, waarbij ammoniakstikstof door nitrificerende bacteriën wordt geoxideerd tot nitraat en nitriet onder zuurstof.
De TP-concentratievariatiecurve wordt weergegeven inFiguur 5(d). Gezien de hoge CZV- en TN-concentraties in het influent ligt de theoretisch optimale TP-concentratie voor microbiële groei boven de 100 mg/l. De influent-TP-concentratie lag echter ver onder deze theoretische vereiste. Daarom bleef de MBBR-effluent-TP-concentratie rond de 10 mg/l, en werd de uiteindelijke effluent-TP-concentratie van het gecombineerde systeem tussen 2 en 3 mg/l gehouden.
De slibkarakteristieken van het MBBR-systeem en het daaropvolgende A/O-systeem voor en na bedrijf zijn gemeten, zoals weergegeven inTabel 2.
Samenvattend,toen het debiet werd verhoogd tot 150 l/u waren de verwijderingssnelheden voor CZV, NH₃-N, TN en TP superieur aan die bij andere stroomsnelheden. De HRT bij deze stroomsnelheid was 27 uur. Bovendien nam de slibconcentratie in zowel de MBBR- als de A/O-systemen na bedrijf aanzienlijk toe.
3. Conclusie
Na biofilmvorming in de MBBR waren de verwijderingsefficiënties voor CZV, NH₃-N, TN en TP stabiel. Gedurende één maand continu bedrijf onder stabiele omstandigheden bereikte de CZV-verwijdering meer dan 95%, de NH₃-N- en TN-verwijdering stabiliseerde zich rond 80% en de TP-verwijdering stabiliseerde zich rond 90%.
Het MBBR-effluent werd verder behandeld in het A/O-systeem. Het gecombineerde proces is bestand tegen een organische belasting tot 37 kgCZV/m³·d. De optimale werking voor het totale proces was onder een HRT van 27 uur. Het uiteindelijke effluent CZV stabiliseerde zich onder 100 mg/l, NH₃-N tussen 10–20 mg/l, TN onder 30 mg/l en TP onder 10 mg/l. De slibconcentratie in het MBBR-systeem na bedrijf was 8,5 g/l en in het A/O-systeem 4,1 g/l, beide aanzienlijk hoger dan vóór bedrijf, wat wijst op een substantiële toename van de microbiële biomassa. De CZV- en ammoniak-stikstofniveaus na biologische zuivering voldeden aan de secundaire lozingsnorm van GB18918-2002. Voor verdere behandeling zou Fenton's geavanceerde oxidatietechnologie kunnen worden gebruikt voor een diepgaande behandeling van het biologisch behandelde afvalwater om de lozingsnorm van het eerste niveau te bereiken.