Poboljšani mikrobni tretman otpadnih voda od belog luka pomoću MBBR + A/O procesa
Pregled
Češnjak otpadne vodeprvenstveno potiče od procesa rezanja i ispiranja tokom prerade bijelog luka. Karakteriše gavisoke koncentracije organske materije, sznačajne razine dušika i fosfora, te sadrži značajne količine alicina. Alicin (dialil tiosulfinat) je isparljiva tečnost odgovorna za oštar miris belog luka i hemijski je nestabilna i veoma reaktivna. Alicin može inhibirati rast različitih mikroorganizama. Ispuštanje otpadnih voda visoke{3}}koncentracije češnjaka bez tretmana uzrokuje ozbiljne uticaje na okoliš. Neki istraživači su koristili tehnike kao što su membranska filtracija, Fentonova oksidacija i mikro-elektroliza, ali ove metode nisu bile efikasne za prečišćavanje otpadnih voda bijelog luka, a upotreba velikih doza hemikalija povećava troškove naknadnog tretmana. Mnogi naučnici su predložili biološke metode tretmana korištenjem anaerobnih-aerobnih kombinovanih procesa. Međutim, zbog antibakterijskih svojstava alicina, mikroorganizme se teško uzgajaju, a efikasnost tretmana nije idealna. Stoga je fokus biološkog tretmana nakultivirati i aklimatizirati sojeve mikroba koji su sposobni da se prilagode otpadnim vodama bijelog luka i poboljšaju njihovu biorazgradnju.
Ova studija je uključivala kultivaciju i skriningbakterijski sojevi efikasni u razgradnji otpadnih voda belog luka, koji su potom uvedeni u aBiofilmski reaktor s pokretnim krevetom (MBBR). Korištenjem inokuliranog mulja i metode formiranja biofilma-koje povećava brzinu protoka, uspostavljeni su biofilmi kako bi se poboljšalo uklanjanje dušika i fosfora iz otpadne vode. Nakon toga je uslijedio daljnji A/O (Anoxic/Oxic) biohemijski tretman. Prema GB18918-2002 standardu, nivoi COD i amonijačnog azota (NH₃-N) mogu zadovoljiti sekundarni standard (COD: 100 mg/L, NH3-N: 25-30 mg/L). Ovaj proces efikasno smanjuje organski sadržaj u efluentu, smanjujući poteškoće u narednim fazama tretmana.
1. Eksperimentalna sekcija
1.1 Dizajn toka procesa
Ukupni tok procesa za tretman otpadnih voda od bijelog luka prikazan je uSlika 1, pri čemu je osnovna komponentabiorazgradnja u MBBR + A/O sistemu. Tri provjerena i izolirana soja efikasna u razgradnji otpadnih voda bijelog luka – Alcaligenes sp., Acinetobacter sp. i Achromobacter sp. – pomiješani su sa aktivnim muljem i uvedeni u MBBR jedinicu kako bi se olakšalo njeno brzo pokretanje-.
1.2 MBBR + A/O proces tretmana
Nakon prolaska kroz gruba i fina sita za uklanjanje suspendovanih čvrstih materija, otpadna voda belog luka se pumpa direktno u MBBR. Kvalitet utjecaja je prikazan uTabela 1. Efluent iz MBBR teče direktno u A/O sistem. Zbog niskog organskog sadržaja MBBR efluenta, sirova otpadna voda od češnjaka se na odgovarajući način dodaje u Oxic (O) rezervoar kao dopuna izvora ugljika za A/O proces. Da bi se testirala otpornost sistema na udar, stopa organskog opterećenja MBBR-a je postepeno povećavana tokom kontinuiranog rada, a kvalitet efluenta je praćen.
1.3 Parametri procesa
1.3.1 Otopljeni kisik (DO)
Previše visok DO u biofilmu može spriječiti denitrifikaciju, uzrokujući da MBBR izgubi svoju istovremenu sposobnost nitrifikacije i denitrifikacije. Preterano nizak DO može dovesti do proliferacije filamentoznih bakterija, utičući na kvalitet efluenta i inhibirajući proces nitrifikacije.
1.3.2 Hidraulično vrijeme zadržavanja (HRT)
Preterano kratak HNL izaziva intenzivne reakcione uslove, gde se otpadna voda koja sadrži većinu organskih materija ispušta pre nego što se potpuno apsorbuje. Kontinuirani dotok održava mikroorganizme u konstantnom stanju biorazgradnje, smanjujući efikasnost i povećavajući potrošnju energije. Preterano duga HNL dovodi do iscrpljivanja nutrijenata; bez nutrijenata, mikroorganizmi smanjuju svoju aktivnost i metaboličke zahtjeve samo da bi održali preživljavanje.
1.3.3 Odnos ugljika{1}}prema{2}}azotu (C/N)
Nizak odnos C/N može dovesti do katalize pretvaranja amonijaka u druge supstance, što utiče na uklanjanje amonijačnog azota. Takođe lako uzrokuje filamentno nakupljanje, kontinuirani rast koji utiče na flokulaciju, što dovodi do nagomilavanja mulja i plutajućeg mulja. Visok odnos C/N je nepovoljan za biorazgradnju i rast mikroba, povećavajući organsko opterećenje mikroorganizama.
1.4 MBBR Biofilm Pokretanje{1}}
Pokretanje biofilma-: Korištena je metoda povećanja brzine inokulacije mulja + -brzine protoka. MBR-obogaćeni aktivni mulj je inokuliran u reaktor, s početnom koncentracijom miješanih tekućina suspendiranih čvrstih tvari (MLSS) od približno 5,82 g/L. Započeta je aeracija, a polietilenski nosači su dodani u reaktor sa aomjer punjenja od oko 60%. TheDOu reaktoru je kontrolisanoiznad 4,0 mg/L. Brzina protoka je postepeno povećavana u koracima od 20 L/h: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 L/h, pri čemu je svaki protok održavan 1 dan. Nijedan mulj nije rasipan tokom ove faze. Svjetložuti biofilm se formirao na površini nosača gdje su se mikroorganizmi vezali i rasli. Nakon uspješnog pokretanja biofilma-nastavljen je stabilan rad uz održavanje aVrijeme zadržavanja mulja (SRT) od 30 dana. Tokom stabilnog rada, stopa organskog opterećenja MBBR-a je prilagođena kako bi se uočio njegov utjecaj na uklanjanje COD, dušika i fosfora.
2. Rezultati i diskusija
2.1 Analiza kvaliteta MBBR efluenta tokom pokretanja-biofilma
Intenzitet aeracije u MBBR je prilagođen za kontrolu koncentracije DO. Kada je DO bio ispod 4,0 mg/L, intenzitet aeracije je bio nedovoljan da podrži jednolično turbulentno kretanje nosača visokog{2}}toka, sprečavajući adekvatno miješanje i otežavajući formiranje biofilma na površinama nosača. Kada je DO bio između 4,0–6,0 mg/L, nosači su se temeljito pomiješali sa aktivnim muljem i otpadnom vodom. Uočena je promjena boje od bijele do žućkasto-smeđe na nosačima, što ukazuje na uspješno vezivanje i rast mikroba pod ovim intenzitetom aeracije, kao što je prikazano uSlika 2.
Kriva varijacije COD-a dovodnog i efluentnog COD-a tokom početne{0}}faze je prikazana naSlika 3(a). Početno smanjenje efikasnosti tretmana bilo je zbog vrlo male količine pričvršćenih mikroorganizama na nosačima; samo razgradnja mikroorganizmima u aktivnom mulju nije bila dovoljna za uklanjanje velike količine organskih tvari. Kako je pokretanje-napredovalo, količina vezanih mikroorganizama na nosačima se povećavala, postepeno formirajući biofilm. Koncentracija COD u efluentu se postepeno stabilizovala, a efikasnost uklanjanja COD se stabilizovala iznad 90%.
Kriva varijacije MBBR dotoka i efluenta NH₃-N prikazana je uSlika 3(b). Nitrifikacija od strane aerobnih bakterija u aktivnom mulju efikasno je uklonila amonijačni azot. Počevši od 7. dana, koncentracija ulaznog NH₃-N postepeno se povećavala. Do 23. dana, iako je utjecaj NH₃-N i dalje bio u porastu, stopa uklanjanja je također porasla. To je zato što nitrificirajuće bakterije u početku rastu sporo; s vremenom se njihova populacija povećavala, biofilm je sazrijevao, a stopa uklanjanja NH₃-N postepeno se povećavala i stabilizirala.
Krivulja varijacije ulaznog i efluentnog TN MBBR prikazana je naSlika 3(c). Za razliku od uklanjanja amonijačnog azota, efikasnost uklanjanja TN se u početku smanjila. To je bilo zato što je okruženje reaktora imalo dovoljno kisika i izvora ugljika, ograničavajući rast denitrifikujućih bakterija. Međutim, kako se biofilm formirao, efikasnost uklanjanja TN-a je počela da se poboljšava. Do 20. dana, iako se koncentracija ulaznog TN-a povećala, efluentni TN i brzina uklanjanja su se stabilizirali, u rasponu između 50%-60%.
Krivulja varijacije MBBR dotoka i efluenta TP prikazana je uSlika 3(d). Od pokretanja-do stabilnog rada, stopa uklanjanja TP-a je ostala stabilna. Iako je koncentracija TP u početku bila visoka, a kasnije se smanjila, efikasnost uklanjanja nije pokazala značajnu promjenu, što ukazuje na sposobnost sistema za uklanjanje fosfora. Stopa uklanjanja TP u sistemu je održavana između 80% – 90%.
Ukratko,održavanje DO sistema MBBR između 4-6 mg/L, zreli biofilm koji se razvija nakon 20 dana neprekidnog hranjenja. U poređenju sa tradicionalnim procesima aktivnog mulja, MBBR sistem nudi snažnu otpornost na udarce i visoku efikasnost tretmana, efikasno smanjujući poteškoće u narednim fazama tretmana otpadnih voda prerade belog luka.
2.2 Analiza kvaliteta otpadnih voda tokom stabilnog rada
Nakon faze pokretanja{0}}biofilma, biofilm je sazreo. Da bi se testirala otpornost na udarce MBBR sistema, stopa organskog opterećenja se kontinuirano povećavala tokom stabilnog rada.
Kriva varijacije COD-a MBBR dotoka i efluenta tokom stabilnog rada prikazana je uSlika 4(a). Od 1. do 5. dana, uz konstantan dotok, efikasnost uklanjanja KPK je ostala iznad 95%, a koncentracija HPK u efluentu dostigla je oko 100 mg/L. Od 5. do 20. dana, dotok je povećan, postepeno povećavajući organsko opterećenje sa 20 kgCOD/m³·d na 30 kgCOD/m³·d. Nije primijećena značajna promjena u efikasnosti uklanjanja, a COD efluenta je ostao između 80-100 mg/L, pokazujući jaku otpornost na udar. Nakon 20. dana, brzina dotoka je dodatno povećana, kontinuirano povećavajući organsko opterećenje u reaktoru sa 30 kgCOD/m³·d na 37 kgCOD/m³·d, održavano 5 dana. Kapacitet uklanjanja COD-a MBBR-a ostao je iznad 95%.
Slike 4(b) i (c)prikazuju krive varijacije za NH₃-N i TN, respektivno, tokom stabilnog rada. Od 1. do 5. dana, uz konstantan dotok, MBBR biofilm je pokazivao istovremenu nitrifikaciju i denitrifikaciju. Aerobne nitrificirajuće bakterije pričvršćene za vanjski sloj biofilma, potpuno pomiješane s otpadnom vodom pod aeracijom, trošile su značajne izvore dušika kroz nitrifikaciju. Denitrifikujuća bakterija u unutrašnjem anoksičnom sloju efikasno je uklonila nitratni azot kroz denitrifikaciju. Od dana 5-20, kako se brzina dotoka povećavala, efikasnost uklanjanja NH₃-N i TN se u početku značajno smanjila. Nakon otprilike 7 dana neprekidnog rada, sistem se postepeno prilagođavao. Iako se efikasnost uklanjanja za NH₃-N i TN tada povećala, ostala je niža nego tokom perioda niskog -protoka. Pod stalnim dotokom, uklanjanje NH₃-N dostiglo je preko 90%, sa efluentom NH3-N između 10-15 mg/L, a uklanjanje TN se u osnovi održavalo iznad 80%, sa efluentnim TN oko 30 mg/L. Nakon povećanja dotoka i sistem je dosegao novu ravnotežu pod kontinuiranim udarom, uklanjanje NH₃-N stabiliziralo se oko 80%, sa efluentom NH₃-N između 50-70 mg/L i uklanjanjem TN oko 60%, sa efluentnim TN ispod 50 mg/L.
Kriva varijacije za TP tokom stabilnog rada prikazana je uSlika 4(d). Koncentracija TP u efluentu je u osnovi održavana oko 10 mg/L. U početku, sa konstantnim niskim protokom i niskom koncentracijom TP, učinak tretmana je bio ograničen. Kako su se povećavala brzina dotoka i ulazna koncentracija TP-a, postignuta je visoka efikasnost tretmana tokom faze udara i kasnijeg rada visokog{4}}opterećenja, pri čemu je stopa uklanjanja TP-a fluktuirala oko 90%.
Ukratko,pod velikim šokom organskog opterećenja, efikasnost uklanjanja COD sistema ostala je uglavnom nepromijenjena, ali se uklanjanje NH₃-N i TN značajno smanjilo. Kada je organsko opterećenje dostiglo svoj maksimum od 37 kgCOD/m³·d, efikasnost uklanjanja NH₃-N i TN sistema primetno se smanjila.
2.3 Analiza kvaliteta efluenta MBBR + A/O sistema
Nakon faze pokretanja{0}}biofilma i mjesec dana stabilnog rada, dodat je A/O proces nizvodno za napredni tretman MBBR efluenta. Gradijentno povećanje brzine dotoka primijenjeno je za povećanje ukupnog organskog opterećenja, s ciljem određivanja optimalne brzine dotoka, koja odgovara optimalnoj HST.
Kriva varijacije COD-a je prikazana uSlika 5(a). Brzina dotoka se povećavala uzastopno: 100, 120, 130, 150, 170 L/h. Od početka do maksimalnog protoka, organsko opterećenje na MBBR sistemu se povećalo sa 20 kgCOD/m³·d na 37 kgCOD/m³·d. Konačni efluent iz kombinovanog sistema ostao je stabilan, sa koncentracijom COD ispod 100 mg/L. Pod dugotrajnim udarom visokog organskog opterećenja, MBBR sistem je dobro funkcionirao, iako je COD njegovog efluenta pokazao blagi porast kada je protok dostigao 150 L/h. Nakon održavanja protoka od 170 L/h nekoliko dana, uočen je primjetan trend rasta COD efluenta MBBR. Međutim, s naknadnim A/O procesom, konačni kombinovani efluent sistema je i dalje održavan ispod 100 mg/L. Ovo ukazuje da čak i pod visokim udarom organskog opterećenja od 37 kgCOD/m³·d, kombinovani proces i dalje ima snažan efekat uklanjanja otpadnih voda prerade belog luka.
Krive varijacije za NH₃-N i TN su prikazane uSlike 5(b) i (c), odnosno. Otpadne vode prerade bijelog luka imaju visoke koncentracije amonijačnog dušika i ukupnog dušika, koje se vremenom mogu dodatno povećati zbog oksidacije. Obično se koncentracija amonijačnog dušika kreće od 300-500 mg/L, a ukupnog dušika od 450-600 mg/L. Pod istovremenom nitrifikacijom i denitrifikacijom u MBBR-u, uklanjanje amonijačnog azota bilo je efikasnije, vjerovatno zato što nitrificirajuće bakterije efikasnije koriste otpadnu vodu pod aeracijom. Denitrifikacijske bakterije zahtijevaju anoksične uvjete i često zavise od utrošenog organskog ugljika za denitrifikaciju. Prilikom povećanja stope dotoka, efikasnost uklanjanja NH₃-N i TN je bila primarna pažnja. Od dana 1-4, zbog niskog protoka i umjerenog NH₃-N, stopa uklanjanja NH₃-N ostala je iznad 90%, a efikasnost uklanjanja TN se postepeno povećavala. Nakon toga, stopa priliva je značajno povećana. Jasno je uočeno da kako se brzina dotoka povećavala, efluentne koncentracije NH₃-N i TN u različitim fazama uzastopno su rasle, pri čemu su veće stope dotoka dovele do viših koncentracija efluenta. Kako se brzina protoka povećavala, biomasa na nosačima biofilma se povećavala, pojačavajući nitrifikaciju, gdje se amonijačni dušik oksidira nitrifikacijskim bakterijama u nitrat i nitrit pod kisikom.
Krivulja varijacije koncentracije TP prikazana je naSlika 5(d). S obzirom na visoke utjecajne koncentracije COD i TN, teoretska optimalna koncentracija TP za rast mikroba je iznad 100 mg/L. Međutim, utjecajna koncentracija TP bila je daleko ispod ovog teoretskog zahtjeva. Stoga je koncentracija TP u efluentu MBBR ostala oko 10 mg/L, a konačna koncentracija TP u efluentu u kombinovanom sistemu održavana je između 2-3 mg/L.
Izmjerene su karakteristike mulja MBBR sistema i naknadnog A/O sistema prije i nakon rada, kao što je prikazano uTabela 2.
Ukratko,kada je brzina protoka povećana na 150 L/h, brzine uklanjanja COD, NH₃-N, TN i TP bile su superiornije od onih pri drugim brzinama protoka. HNL pri ovoj brzini protoka iznosila je 27 sati. Nadalje, koncentracija mulja u MBBR i A/O sistemima značajno se povećala nakon rada.
3. Zaključak
Nakon formiranja biofilma u MBBR, efikasnost uklanjanja COD, NH₃-N, TN i TP je bila stabilna. Tokom jednog mjeseca neprekidnog rada u stabilnim uslovima, uklanjanje COD-a dostiglo je preko 95%, uklanjanje NH₃-N i TN stabiliziralo se oko 80%, a uklanjanje TP stabiliziralo se oko 90%.
MBBR efluent je dalje tretiran u A/O sistemu. Kombinovani proces može izdržati organsko opterećenje do 37 kgCOD/m³·d. Optimalna operacija za cjelokupni proces bila je pod HNL od 27 sati. Konačni efluent COD stabilizirao se ispod 100 mg/L, NH₃-N između 10-20 mg/L, TN ispod 30 mg/L, a TP ispod 10 mg/L. Koncentracija mulja u MBBR sistemu nakon rada bila je 8,5 g/L, au A/O sistemu 4,1 g/L, oba značajno veća nego prije rada, što ukazuje na značajno povećanje mikrobne biomase. Nivoi COD-a i amonijačnog azota nakon biološkog tretmana zadovoljavali su standard za sekundarno pražnjenje GB18918-2002. Za daljnji tretman, Fentonova napredna tehnologija oksidacije mogla bi se koristiti za dubinsku obradu biološki tretiranog efluenta kako bi se postigao standard prvog nivoa ispuštanja.