Analyse van de prestaties op het gebied van de verwijdering van verontreinigende stoffen in een S-MBBR-systeem voor afvalwaterbehandeling met een lage C/N-verhouding
Invoering
Met de versnelling van de verstedelijking en industrialisatie neemt de lozing van afvalwater met een lage C/N-verhouding (lage koolstof{0}}tot-stikstofverhouding) toe, voornamelijk afkomstig van huishoudelijk afvalwater, voedselverwerking, landbouw en circulerend koelwater. Om de slechte verwijderingsefficiëntie van totale stikstof (TN) uit afvalwater met een lage C/N-verhouding aan te pakken, hebben korte-nitrificatie-denitrificatie en gelijktijdige nitrificatie en denitrificatie (SND) de afgelopen jaren de aandacht getrokken. Relatief gesproken zijn de reactieomstandigheden van het SND-proces gemakkelijker te controleren en kan het tegelijkertijd zowel koolstofverwijdering als stikstofverwijdering bewerkstelligen. Daarom heeft het een aanzienlijk voordeel bij de behandeling van stikstofverwijdering voor afvalwater met een lage C/N-verhouding. De sequencing batchreactor (SBR) vergemakkelijkt de verwijdering van stikstof en fosfor door de opgeloste zuurstofconcentratie te regelen. In combinatie met de biofilmreactor met bewegend bed (MBBR) om een S-MBBR-systeem te vormen, biedt de biofilm op de dragers gestratificeerde groeiomstandigheden voor aerobe nitrificerende bacteriën en anoxische denitrificerende bacteriën, waardoor een SND-micro-omgeving wordt gecreëerd en tegelijkertijd het specifieke oppervlak en de microbiële stabiliteit van het systeem worden vergroot. Studies hebben aangetoond dat S-MBBR superieur is aan traditionele processen in termen van stikstof- en fosforverwijderingsefficiëntie, schokbestendigheid en systeemstabiliteit.
1 Materialen en methoden
1.1 Experimentele opstelling.De proefopstelling bestond hoofdzakelijk uit een influenttank, een luchtblazer, een roerinrichting, een effluenttank en de hoofdreactor. Het effectieve volume van de reactor was 1,8 liter en de behandelingscapaciteit per cyclus was 1 liter. De reactor werd gevuld met een nieuw type bio-bioaffinitieve drager met een vullingsgraad van ongeveer 25%. De aanvankelijke concentratie van vluchtige gesuspendeerde vaste stoffen (MLVSS) in de reactor was 3000 mg/l.
1.2 Experimentele materialen.Het affiniteits-gemodificeerde dragervulmiddel werd bereid door fysische meng- en schroefextrusietechnologie. De specifieke procedure was als volgt: 3% nul-valent ijzer, HDPE en hulpstoffen (2% natuurlijk zeoliet, 2% polyquaternium-10 en 1% talkpoeder) werden gelijkmatig gemengd. Vervolgens werd het mengsel gesmolten met behulp van een SJ-20 extruder met enkele schroef en geëxtrudeerd tot korrelvormige stroken (ongeveer 5 mm in diameter, 5-10 mm lang). Tenslotte werden deze vaste deeltjes geëxtrudeerd met behulp van een SJ-30 extruder met enkele schroef om de uiteindelijke drager te produceren.
1.3 Bedrijfsomstandigheden.Er werden twee reactoren opgezet: één met dragers (S-MBBR, aangeduid als R1) en één zonder dragers (SBR, aangeduid als R2). Alle andere omstandigheden bleven hetzelfde. De eerste fase was het opstarten van de biofilmbevestiging-, uitgevoerd in een SBR-modus met een verhouding van 3:3:2. De bedrijfscyclus omvatte influent-, statische-, beluchtingsreactie-, anoxisch roeren-, bezinkings- en effluentstadia (3 uur anaëroob, 3 uur beluchting, 2 uur roeren/bezinken/influent/effluent). NaHCO₃ werd gebruikt om de pH van het influent op ongeveer 8 te brengen. Na succesvolle biofilmaanhechting werd de ammoniak-stikstofconcentratie gewijzigd om de C/N-verhouding te verlagen en begon het experiment, zoals beschreven inTabel 1.
| Tabel 1 Bedrijfsomstandigheden van de reactor | ||||
| Parameter | Fase I | Fase II | Fase III | Fase IV |
| Anaëroob fase (u) |
3 | 3 | 3 | 2 |
| Beluchting fase (u) |
3 | 3 | 3 | 4 |
| Anaerobe menging fase (u) |
1.17 | 1.17 | 1.17 | 1.17 |
| Afwikkeling fase (u) |
0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| Totale HST (u) | 8 | 8 | 8 | 8 |
| CZV (mg/l) | ongeveer. 500 | ongeveer. 500 | ongeveer. 320 | ongeveer. 320 |
| NH₄⁺-N (mg/l) | ongeveer. 25 | ongeveer. 40 | ongeveer. 40 | ongeveer. 60 |
| TN (mg/l) | ongeveer. 25 | ongeveer. 40 | ongeveer. 40 | ongeveer. 40 |
| TP (mg/l) | 5 | 5 | 5 | 10 |
1.4 Experimenteel water en geïnoculeerd slib.De CZV, NH₄⁺-N en totaal fosfor (TP) in het synthetische afvalwater dat wordt gebruikt voor het opstarten van biofilm- werden geleverd door respectievelijk C₆H₁₂O₆, NH₄Cl en KH₂PO₄. Spoorelementen bestonden uit EDTA-2Na (18,76 g/l), CoCl₂·6H₂O (0,3 g/l), CuSO₄·5H₂O (0,32 g/l), NiCl₂·6H₂O (0,24 g/l), H₃BO₄ (0,018 g/l), ZnSO₄·7H₂O (0,54 g/l), MnCl₂·4H₂O (1,24 g/l), NaMoO₄·2H₂O (0,28 g/l) en NaW0₄·2H₂O (0,1 g/l). De samenstelling van het synthetische afvalwater was: C₆H₁₂O₆ (0,47 g/L), NH₄Cl (0,095 g/L), KH₂PO₄ (0,022 g/L), NaCl (0,1 g/L), NaHCO₃ (0,15 g/L), MgSO₄·7H₂O (0,15 g/L), CaCl₂ (0,05 g/l), FeSO₄·7H₂O (0,02 g/l) en sporenelementen (1 ml/l). Het slib werd gehaald uit de secundaire bezinkingstank van een afvalwaterzuiveringsinstallatie in Dalian.
1.5 Analysemethoden.Routinematige indicatoren werden gemeten volgens de standaardmethoden gespecificeerd in de "Standaardmethoden voor het onderzoek van water en afvalwater" (4e editie) en nationale normen, waaronder analyse van de capaciteit voor het verwijderen van verontreinigende stoffen, analyse van membraanvervuiling en analyse van gasproductie. Concreet: NH₄⁺-N werd gemeten met de spectrofotometrische methode met salicylzuurreagens; TP volgens de ammoniummolybdaat-spectrofotometrische methode; NO₃⁻-N volgens de salicylzuur-geconcentreerde zwavelzuurreagensspectrofotometrische methode; NO₂⁻-N volgens de N-(1-naftyl)ethyleendiamine-spectrofotometrische methode; TN was de som van de concentraties van alle stikstofvormen; CZV werd gemeten volgens de snelle verteringsmethode; en de slibconcentratie (inclusief MLSS en MLVSS) werd gemeten met de gravimetrische methode.
2 Resultaten en analyse
2.1 Prestaties bij remboursverwijdering
Organisch materiaal dat de reactor binnenkwam, werd verwijderd via fasen zoals anaëroob, aëroob (beluchting), anoxisch roeren, bezinken en effluent.Figuur 1toont de CZV-verwijderingsprestaties van de reactoren in verschillende operationele fasen. Fase I was de fase van biofilmbevestiging, en fases II, III en IV waren de fasen waarin de C/N/P-verhouding werd teruggebracht tot respectievelijk 100:8:1, 64:8:1 en 32:6:1. De gemiddelde verwijderingspercentages voor R1 in elke fase waren respectievelijk 95,57%, 96,25%, 92,70% en 94,18%; de gemiddelde verwijderingspercentages voor R2 in elke fase waren respectievelijk 94,71%, 96,19%, 92,54% en 94,68%. Het is duidelijk dat dit proces goede prestaties levert op het gebied van de verwijdering van organisch materiaal en dat het onder relatief stabiele effluentomstandigheden voldeed aan de vereisten van de GB 18918-2002-norm (CZV-concentratie < 50 mg/l). Omdat het systeem met een lage C/N-verhouding werkte, werd de koolstofbron het beperkende substraat dat een efficiënt metabolisme aanstuurde. Er was geen significant verschil in de CZV-verwijdering tussen R1 en R2, wat aantoont dat de gemodificeerde drager weinig effect had op de CZV-verwijdering.
2.2 NH₄⁺-N- en TN-verwijderingsprestaties
Het TN-verwijderingsproces omvat twee belangrijke stappen: nitrificatie en denitrificatie. Nitrificatie, als een aëroob proces, is afhankelijk van voldoende aerobe micro-organismen om ammoniakstikstof om te zetten in nitraat.Figuren 2 en 3tonen respectievelijk de NH₄⁺-N- en TN-verwijderingsprestaties van de reactoren. NH₄⁺-N en TN werden voornamelijk verwijderd tijdens de aërobe beluchting en anoxische statische fasen. Fase I was de fase van biofilmbevestiging, en fases II, III en IV waren de fasen waarin de C/N/P-verhouding werd teruggebracht tot respectievelijk 100:8:1, 64:8:1 en 32:6:1. De gemiddelde NH₄⁺-N-verwijderingspercentages voor R1 waren respectievelijk 92,53%, 95,83%, 99,70% en 98,31%; de gemiddelde NH₄⁺-N-verwijderingspercentages voor R2 waren respectievelijk 84,34%, 91,82%, 99,70% en 97,52%. De gemiddelde TN-verwijderingspercentages voor R1 waren respectievelijk 89,53%, 87,21%, 82,44% en 83,20%; de gemiddelde TN-verwijderingspercentages voor R2 waren respectievelijk 78,3%, 78,89%, 73,26% en 76,66%. Vergeleken met R2 zijn de gemiddelde NH₄⁺-N-verwijderingspercentages voor R1 gestegen met respectievelijk 9,7%, 4,36%, 0% en 0,82%; de gemiddelde verwijderingspercentages van TN stegen met respectievelijk 14,35%, 10,55%, 12,54% en 8,3%. Het is duidelijk dat het R1-systeem in alle stadia beter presteerde dan R2 wat betreft stikstofverwijdering, vooral in de vroege stadia van de werking van het systeem, waarbij het verschil in latere stadia geleidelijk stabiliseerde.
Tijdens fase I was de influent NH₄⁺-N-concentratie laag en was de koolstofbron relatief voldoende om in principe aan de denitrificatie-eisen te voldoen, dus de effluent-TN-concentratie was laag. De geïnoculeerde micro-organismen bevonden zich nog in de aanpassingsfase en de functionele microbiële gemeenschap binnen het systeem was nog niet volledig gevestigd, wat resulteerde in een onstabiele NH₄⁺-N-verwijdering, maar deze stabiliseerde zich later geleidelijk. Tijdens deze fase werd geen significant verschil waargenomen tussen de twee reactoren (R1 en R2). Bij het begin van fase II nam de influent NH₄⁺-N-concentratie plotseling toe, maar de beluchtingsomstandigheden werden niet tegelijkertijd aangepast, wat aanzienlijke fluctuaties in het systeem veroorzaakte, vooral bij de verwijdering van NH₄⁺-N en TN. Na ongeveer zes dagen bedrijf herstelden de twee reactoren geleidelijk hun stabiliteit. Er wordt gespeculeerd dat de hoge ammoniak-stikstofbelasting de snelle proliferatie van nitrificerende bacteriën bevorderde, waardoor de efficiëntie van het nitrificatieproces werd verbeterd. Naarmate het systeem bleef functioneren, werd het nitrificatie-denitrificatiesysteem in de reactoren geleidelijk opgebouwd en gestabiliseerd, en nam de fluctuatie van de TN-concentratie af. Dankzij de aanwezigheid van de gemodificeerde drager bereikte het R1-systeem een lagere resterende TN, waarbij de drager de TN-verwijderingssnelheid van de reactor verbeterde en ook het aanpassingsvermogen van het systeem aan schokbelastingen verbeterde. Om de PO₄-verwijdering te verbeteren, werd op dag 49 de beluchtingsintensiteit verhoogd, waardoor een completer nitrificatieproces werd bevorderd. De toename van het door nitrificatie geproduceerde nitraat leidde echter tot een grotere vraag naar koolstofbronnen voor denitrificatie, terwijl de influent-koolstofbron in dit stadium relatief onvoldoende was, wat resulteerde in een zekere mate van toename van het effluent-TN. In fase III werd de CZV verder verlaagd, waardoor de koolstofbron die beschikbaar was voor denitrificatie in de reactor nog schaarser werd, waardoor de verwijdering van TN verder werd beperkt, en het algehele niveau van de TN-concentratie in het effluent steeg. Niettemin handhaafde het R1-systeem nog steeds betere TN-verwijderingsprestaties dan R2, wat het versterkende effect van de drager aantoont. In fase IV werd de ammoniak-stikstofconcentratie verder verhoogd. Op basis van ervaringen uit de vorige fase werd de beluchting iets verhoogd en de beluchtingstijd verlengd tot 4 uur, waardoor de activiteit van nitrificerende bacteriën werd bevorderd, het nitrificatieproces completer werd en de NH₄⁺-N-verwijderingsefficiëntie verder werd verbeterd. Echter, geconfronteerd met het probleem van een tekort aan koolstofbronnen, was het denitrificatieproces beperkt en nam de TN-concentratie in de latere fase lichtjes toe. Over het geheel genomen was de R1-reactor nog steeds superieur aan R2 en vertoonde hij een sterkere TN-verwijderingscapaciteit, wat aangeeft dat na langdurig gebruik de stabiele biofilmstructuur en de synergetische aërobe-anoxische omgeving gevormd in R1 goede ruimte en omstandigheden boden voor het gelijktijdige nitrificatie- en denitrificatieproces (SND). Zhang Kefang et al. gebruikte een SBR-proces om afvalwater met een lage C/N-verhouding te behandelen, waarbij oxidatie, nitrificatie en denitrificatie van organisch materiaal binnen één enkele reactor werd bereikt, met een verwijderingspercentage van TN van meer dan 80%. Deze resultaten tonen effectief aan dat biologische denitrificatie in één-fase volledig haalbaar is.
2.3 TP-verwijderingsprestaties
Bij de behandeling van afvalwater is de verwijdering van fosfor voornamelijk afhankelijk van specifieke micro-organismen, zoals fosfor-accumulerende organismen (PAO's), die oplosbaar fosfor absorberen onder aërobe omstandigheden en fosfor vrijgeven onder anaërobe omstandigheden.Figuur 4toont de TP-verwijderingsprestaties van de reactoren. TP werd verwijderd tijdens de aerobe beluchtingsfase. De TP-concentratie in fase I, II en III bleef onveranderd, met een gemiddelde influentconcentratie van 5,01 mg/l. In fase IV was de gemiddelde influent-TP-concentratie 10,30 mg/l. De gemiddelde effluentconcentraties voor R1 in elke fase waren respectievelijk 0,27 mg/l, 0,16 mg/l, 0,13 mg/l en 1,92 mg/l, met gemiddelde verwijderingspercentages van respectievelijk 94,73%, 96,78%, 97,54% en 81,35%. De gemiddelde effluentconcentraties voor R2 waren respectievelijk 0,39 mg/l, 0,35 mg/l, 0,33 mg/l en 0,33 mg/l, met gemiddelde verwijderingspercentages van respectievelijk 92,19%, 93,01%, 93,61% en 68,79%. Vergeleken met R2 stegen de gemiddelde TP-verwijderingspercentages voor R1 in elke fase met respectievelijk 2,75%, 4,05%, 4,20% en 18,26%.
In het R1-systeem biedt de drager een oppervlak voor microbiële hechting, waardoor de groei en het metabolisme van PAO's wordt bevorderd, waardoor een stabiele biofilm wordt gevormd, waardoor de activiteit van de microbiële gemeenschap wordt verbeterd, waardoor de fosforverwijderingscapaciteit van de reactor wordt verbeterd en het biologische fosforverwijderingsproces efficiënter wordt. In fase II nam het zuurstofverbruik van het systeem toe door de NH₄⁺-N-concentratie te veranderen om de nitrificatie te bevorderen. Daarom werd op dag 49 de beluchting verhoogd om de fosforverwijdering te versnellen. In fase III leidde de vermindering van CZV tot een tekort aan koolstofbronnen, wat niet alleen het denitrificatieproces belemmerde, maar ook de metabolische activiteit van PAO's beïnvloedde. In fase IV stortte het systeem in omdat de C/N-verhouding in de reactor daalde van 8 naar 5,3. De toegenomen concurrentie om koolstofbronnen verminderde de beschikbare koolstofbron voor PAO's in het anaërobe stadium, wat leidde tot een afname van de PHA-synthese, wat op zijn beurt de polyfosfaathydrolyse en PHA-oxidatie onder aerobe omstandigheden beïnvloedde, wat uiteindelijk de PAO-groei en het fosforopnamevermogen belemmerde, en resulteerde in een verminderde efficiëntie van de fosforverwijdering. De resterende fosfor in R1 was echter nog steeds lager dan die in R2, wat aangeeft dat het bevorderende effect van de drager nog steeds bestond.
3 Conclusie
Er werd een vergelijkend experiment uitgevoerd tussen het geconstrueerde S-MBBR-systeem en het SBR-systeem om systematisch hun stikstof- en fosforverwijderingsprestaties te evalueren onder afvalwateromstandigheden met een lage C/N-verhouding. De resultaten toonden aan dat het S-MBBR-systeem beter presteerde dan het conventionele SBR-systeem wat betreft de verwijdering van CZV, NH₄⁺-N, TN en TP. Vooral onder koolstofbron-deficiënte omstandigheden bedroegen de maximale stijgingen in de verwijderingspercentages voor TN en NH₄⁺-N respectievelijk 14,35% en 8,19%. Bovendien vertoonde het S-MBBR-systeem een sterke weerstand tegen belastingsschokken en effluentstabiliteit in verschillende operationele fasen. De introductie van zwevende dragers optimaliseerde effectief de micro-omgevingsstructuur van het systeem, bevorderde het optreden van gelijktijdige nitrificatie en denitrificatie (SND), verbeterde microbiële diversiteit en metabolische activiteit, en verbeterde de algehele behandelingscapaciteit van het systeem. De onderzoeksresultaten geven aan dat de S-MBBR-technologie goede toepassingsvooruitzichten heeft voor afvalwaterzuivering met een lage C/N-verhouding en technische ondersteuning kan bieden voor de optimalisatie en verbetering van bestaande afvalwaterzuiveringsprocessen.