Studija o učinkovitosti uklanjanja dušika MBBR-a za kvazi-IV nadogradnju postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda u jugozapadnoj Kini tokom zime

Studija o učinkovitosti uklanjanja dušika MBBR-a za kvazi-IV nadogradnju postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda u jugozapadnoj Kini tokom zime

Jugozapadni region Kine je ogroman, sa značajnim razlikama u klimatskim i geološkim uslovima. Široki izvori kvaliteta otpadnih voda dovode do velikih fluktuacija u kvaliteti vode. Iako se ovaj region nalazi na jugu, zbog ukupne nadmorske visine i terena, temperatura otpadnih voda može pasti ispod 10 stepeni tokom hladne zimske sezone. U kombinaciji sa složenim terenom regije, sa isprepletenim planinama i dubokim dolinama, brdima i ravnicama, te velikim temperaturnim razlikama između dana i noći, očigledna je i dnevna kolebanja temperature otpadnih voda. Kompleksne karakteristike uticaja i preniska temperatura vode u zimskom periodu nameću veće zahteve za projektovanje i rad postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda na ovom području. U kontekstu nadogradnje i rekonstrukcije postrojenja za prečišćavanje kućnih otpadnih voda, još je važnije odabrati odgovarajući proces prečišćavanja za nadogradnju u jugozapadnim postrojenjima kako bi se osigurala stabilna usklađenost tokom sezone niskih temperatura.

Proces biofilmskog reaktora s pokretnim krevetom (MBBR), dodavanjem suspendiranih nosača u fiksno područje, poboljšava obogaćivanje funkcionalnih bakterija i povećava otpornost na niske temperature. Široko se koristi u projektima nadogradnje postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda. Trenutno je opseg primjene MBBR procesa u Kini premašio 2,5×10⁷ m³·d⁻¹, a MBBR je uključen kao "široko korišten i siguran i pouzdan proces" u novorevidirani "Standard dizajna vanjske drenaže" (GB 50014-2021). Široka primjena procesa također je promovirala brzo praćenje istraživanja. Istraživačke žarišta MBBR procesa uglavnom se fokusiraju na analizu dizajna procesa, istraživanje laboratorijskih mehanizama i praćenje inženjerskih efekata. Relevantni zaključci uglavnom uključuju MBBR koji poboljšava biohemijsku efikasnost, biofilm koji poboljšava otpornost na udar i povećava otpornost na niske temperature, MBBR poboljšava funkcionalno obogaćivanje bakterija i biofilm SND koji poboljšava uklanjanje dušika. Na primjer, Huang Qing et al. otkrili su da je nakon nadogradnje MBBR procesom otpornost uređaja za prečišćavanje otpadnih voda na udar značajno poboljšana, a efluent i dalje može stabilno ispunjavati standarde čak i pod dugotrajnim prekoračenjem BPK i TN uticaja. Liu Qiang i dr. otkrili su da je MBBR proces značajno poboljšao kapacitet tretmana postrojenja na niskim temperaturama, a efluent bi mogao stabilno zadovoljiti projektne standarde na niskim temperaturama od 9-11 stepeni. Luan Zhixiang et al. otkrili su da bi nakon nadogradnje sjevernog postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda MBBR procesom, aerobna MBBR zona mogla ukloniti 20,12% TN kroz SND suspendiranih nosača. Han Wenjie i dr. uporedio je pet komunalnih postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda sa hibridnim MBBR procesima u regionu delte rijeke Jangce pod niskim zimskim temperaturama i otkrio da je dodavanje suspendiranih nosača značajno povećalo biomasu nitrificirajućih bakterija u sistemu, pri čemu suspendirani nosači obogaćuju 86.12%–95,36% nitrificirajućih bakterija. Međutim, postojeća istraživanja i dalje imaju određena ograničenja. Na primjer, veliki broj studija odvaja dizajn MBBR-a od operativnih performansi, nedostaje uporedna verifikacija dizajna i performansi za isti projekat. Što se tiče otpornosti MBBR na udar, dostupni su samo "kvalitativni, ali ne i kvantitativni" zaključci, bez kvantitativnog zaključivanja maksimalnog tolerancijskog opterećenja. Što se tiče fenomena SND, on je samo "mjerljiv, ali ne i kontrolisan", nedostaje mu direktna verifikacija izvora uklanjanja dušika kroz dizajnirane makro eksperimente, niti racionalne sugestije rada iz perspektive inženjerske kontrole.

Na osnovu ograničenja postojećeg istraživanja, ova studija uzima nadogradnju CASS postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda u jugozapadnoj Kini kao primjer za objašnjenje principa dizajna i logike MBBR procesa. U kombinaciji sa stvarnim performansama sistema u najnepovoljnijim zimskim uslovima, analizirana je racionalnost dizajna MBBR. Potencijal tretmana sistema je kvantitativno analiziran kroz promjene u kvaliteti vode duž biološkog rezervoara i laboratorijske testove sa visokim sadržajem supstrata. Laboratorijski test za denitrifikaciju koristeći aerobni biofilm je dizajniran da direktno potvrdi izvor SND fenomena u hibridnom MBBR sistemu. Proučen je utjecaj inženjerskih radnih parametara na SND učinak MBBR sustava, te su u kombinaciji s prilagođavanjem podataka predloženi prijedlozi optimizacije operacija za SND. Razlike u distribuciji mikrobne zajednice između mulja i biofilma analizirane su iz perspektive bakterijskog sastava, a mikroskopski faktori utjecaja SND analizirani su iz tipova i relativne zastupljenosti aerobnih denitrifikujućih bakterija. Nadamo se da ovo istraživanje može pružiti referencu za dizajn MBBR procesa drugih sličnih postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda, pružiti osnovne podatke za stabilan rad MBBR postrojenja i dati prijedloge za rad za efikasne performanse SND u MBBR sistemima.

1 Materijali i metode

1.1 Pregled projekta

Postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda u jugozapadnoj Kini, sa projektnim kapacitetom od 1×10⁵ m³·d⁻¹, efluent je bio potreban da zadovolji standard klase A „Standarda za ispuštanje zagađivača za komunalno postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda“ (GB 18918-2002). Zbog ograničenja korištenja zemljišta tokom rane izgradnje, usvojen je CASS proces bez tradicionalnih sekundarnih taložnika. Međutim, tokom rada su se javljali problemi kao što su nedovoljna nitrifikacija pri niskim zimskim temperaturama, slaba taloženost mulja i smanjena efikasnost tretmana. 2019. godine postrojenje je nadograđeno na standarde kvazi klase IV. Nadogradnja je morala uzeti u obzir i povećanje koncentracije ulaznog dušika i poboljšanje standarda efluenta. Prikazani su projektni dotok i kvalitet efluenta prije i nakon rekonstrukcijeTabela 1. Na osnovu toga što su se opterećenja NH₃-N i TN povećala za 66,67% odnosno 62,16%, otpadni ugljik, dušik, fosfor, itd., trebalo je nadograditi sa klase A GB 18918-2002 na klasu IV za "Environmental Quality Standards-2308 Water" (Standardi za kvalitetu okoliša-2303) što je ekvivalentno povećanju opterećenja nitrifikacijom i denitrifikacijom za 127,27% i 94%, respektivno. Ovaj projekat je usvojio Bardenpho-MBBR proces, pretvarajući originalni CASS rezervoar u biološki rezervoar i taložnik.

Nakon rekonstrukcije, za uklanjanje dušika, aktivni mulj je nastavio igrati glavnu ulogu. Vrijeme zadržavanja za denitrifikaciju originalnog CASS rezervoara je produženo sa 3,78 h na 6,35 h, a zapreminsko opterećenje aktivnog mulja za denitrifikaciju povećano je sa 0,140 na 0,189 kg·(m³·d)⁻¹. Da bi se poboljšala denitrifikacija aktivnog mulja, postavljene su preanoksične i postanoksične zone sa vremenima zadržavanja od 4,23 h i 2,12 h, respektivno. Postanoksična zona koristila je dodatak vanjskog izvora ugljika kako bi poboljšala denitrifikaciju kako bi se riješio problem nedovoljnog izvora ugljika u sirovoj vodi. Za nitrifikaciju, vrijeme zadržavanja nitrifikacije originalnog CASS rezervoara smanjeno je sa 7,55 h na 4,23 h, dok je opterećenje nitrifikacijom trebalo znatno povećati sa 0,079 na 0,275 kg·(m³·d)⁻¹. Da bi se pojačao efekat nitrifikacije, suspendovani nosači su dodani u aerobnu zonu kako bi se formirala aerobna MBBR zona. Korišteni su nosači tipa SPR-III, prečnika (25±0,5) mm i debljine (10±1) mm. Nakon pričvršćivanja biofilma, gustina je bila bliska onoj u vodi, a efektivna specifična površina bila je veća od 800 m²·m⁻³, ispunjavajući industrijski standard „Suspendirani nosač od polietilena visoke gustine za tretman vode“ (CJ/T461-2014). Biofilm na visećim nosačima izgledao je tamno siv nakon pričvršćivanja (Slika 1). MBBR zona koristila je samo perforiranu aeraciju da bi obezbijedila hidrauličko smicanje, kontrolišući debljinu biofilma na (208,82±37,57) μm, pružajući dobre uslove za prijenos mase i prijenosa kisika.

1.2 Određivanje uklanjanja dušika u biološkom spremniku

Da bi se razumio put uklanjanja azota u svakoj funkcionalnoj zoni biološkog rezervoara pod niskim zimskim temperaturama nakon rekonstrukcije, kvalitet vode duž biološkog rezervoara je praćen svakodnevno od 15. decembra 2020. do 22. decembra 2020. Tokom ovog perioda temperatura vode u biološkom rezervoaru je bila 9,5–10,2 stepena. Uzorci su uključivali dotok biološkog rezervoara, efluent anaerobne zone, efluent anoksične zone, efluent MBBR zone, efluent post-anoksične zone, efluent post-aerobne zone i efluent taložnika. Uzorci su uzimani svaka 2-3 h. Nakon uzimanja, uzorci su odmah prethodno obrađeni. Nakon sedimentacije, supernatant je sakupljen i tri uzorka su pomiješana u jednakim količinama da bi se odredili NH3-N, NO3-N, TN i COD, provjeravajući put uklanjanja zagađivača i opterećenje nitrifikacijom/denitrifikacijom svake funkcionalne zone.

1.3 Određivanje potencijala nitrifikacije MBBR sistema i stope doprinosa suspendovanih nosača

Za provjeru maksimalnog tolerancijskog opterećenja postojećeg MBBR sistema, 27. i 28. februara 2021. godine obavljeno je laboratorijsko ispitivanje nitrifikacije. Suspendirani nosači i aktivni mulj iz aerobne zone postrojenja prikupljali su se svakodnevno kako bi se simulirala otpornost MBBR sistema na udare kada se utjecajno opterećenje povećalo zimi. Laboratorijski test je simulirao stvarni utjecaj MBBR zone duž putanje protoka. Korišten je supernatant efluenta anoksične zone nakon taloženja, a NH₃-N i alkalnost su dopunjeni dodavanjem amonijum hlorida i natrijum bikarbonata kao influenta za test. Uređaj za testiranje nitrifikacije je prikazan naSlika 2. Čisti biofilm, čisti mulj i hibridni sistemi su postavljeni u nizu. Koncentracija mulja i omjer punjenja nosača bili su u skladu sa stvarnim uvjetima biološkog spremnika. Da bi se u potpunosti iskoristio potencijal nitrifikacije sistema MBBR i poboljšao prijenos mase i prijenos kisika, koncentracija ulaznog NH₃-N povećana je sa oko 10 mg·L⁻¹ duž putanje protoka na oko 25 mg·L⁻¹, a DO je povećan sa 2–4 ​​mg·L⁻¹ duž putanje protoka na oko 6–7 mg·L⁻¹. Tokom ispitivanja temperatura vode je bila 9,7-10,4 stepeni. Za održavanje oksigenacije sistema i fluidizacije nosača korištene su aeracijske pumpe i tvorci talasa. Uzorci su uzimani svakih 30 minuta i prethodno tretirani da bi se odredila promjena koncentracije amonijačnog dušika. Prema navedenim metodama, metoda proračuna opterećenja biofilma u hibridnom MBBR sistemu prikazana je jednadžbama (1) i (2).

Gdje je: N₂ nitrifikacijsko volumetrijsko opterećenje biofilma u hibridnom sistemu, kg·(m³·d)⁻¹; N₁ je ukupno zapreminsko opterećenje nitrifikacijom MBBR hibridnog sistema, kg·(m³·d)⁻¹; N₃ je zapreminsko opterećenje nitrifikacijom aktivnog mulja, kg·(m³·d)⁻¹; η je stopa doprinosa nitrifikacije suspendovanih nosača, %.

1.4 Kontrolna analiza verifikacije i optimizacije SND u MBBR sistemu

Za fenomen simultane nitrifikacije i denitrifikacije (SND) u MBBR sistemu, kako bi se direktno potvrdio izvor SND efekta, 28. februara 2021. godine provedeno je laboratorijsko ispitivanje denitrifikacije korištenjem čistog MBBR biofilma. Prikupljeni su suspendirani nosači iz aerobne zone. Odnos punjenja nosača bio je u skladu sa stvarnim uslovima biološkog rezervoara. Influent za ispitivanje pripremljen je dodavanjem kalijum nitrata sirovoj vodi biljke. Uzorci su uzimani svakih 20 minuta i prethodno tretirani da bi se odredila koncentracija nitratnog dušika.

Od 1. decembra 2020. do 28. februara 2021. godine svakodnevno su tokom zime praćeni kvalitet vode i radni parametri zone MBBR nakon rekonstrukcije. Uzorci su uključivali efluent anoksične zone i efluent MBBR zone. Uzorci su uzimani svaka 2-3 h. Nakon uzimanja, uzorci su odmah prethodno obrađeni. Nakon sedimentacije, supernatant je sakupljen i tri uzorka su pomiješana u jednakim količinama da bi se odredio TN, NH3-N, NO3-N i COD. Istovremeno je mjeren nivo DO u aerobnoj MBBR zoni. Izmjereni podaci su podvrgnuti analizi glavnih komponenti (PCA) kako bi se potvrdili glavni parametri odgovora koji utiču na SND efekat u aerobnoj zoni. Optimalni kontrolni parametri su određeni analizom uklapanja kako bi se pružila osnova za povećanje kontrole SND-a.

1.5 Visoko propusno sekvencioniranje mikroorganizama u postrojenju za prečišćavanje otpadnih voda

Da bi se analizirale razlike između faza mulja i biofilma u MBBR sistemu u smislu mikrobne raznolikosti, dominantnih vrsta i efikasnosti obogaćivanja funkcionalnih bakterija, i da bi se mikroskopski potvrdio izvor SND, aktivni mulj i suspendovani nosači iz MBBR sistema su prikupljeni 28. februara 2021. godine, sa jednim setom za sekvencijsku paralelnu propusnost uzoraka16. amplikoni. U to vrijeme, sistem je doživio cijelu zimu, a sastav mikrobne zajednice mogao je bolje odražavati stvarnu situaciju u uslovima niskih temperatura. Specifične metode za određivanje i analizu visokog protoka odnose se na prethodno objavljenu literaturu.

1.6 Konvencionalne metode određivanja kvaliteta vode

Svi parametri kvaliteta vode uključeni u ovu studiju određeni su standardnim metodama. COD je određen metodom nacionalnog standarda; NH3-N je određen Nesslerovom spektrofotometrijskom metodom reagensa; NO₃-N je određen ultraljubičastom spektrofotometrijskom metodom; TN je određen alkalnom razgradnjom kalijum persulfata - UV spektrofotometrijskom metodom; TP je određen spektrofotometrijskom metodom amonijum-molibdata; DO i temperatura vode mjereni su prijenosnim mjeračem rastvorenog kiseonika.

2 Rezultati i diskusija

2.1 Ukupni učinak tretmana u uvjetima niske temperature prije i poslije rekonstrukcije

Prvo je upoređen ukupni učinak tretmana sistema pod niskim zimskim temperaturama prije i nakon rekonstrukcije (2018-12-01 do 2019-02-28, 2020-12-01 do 2021-02-28). Prije i nakon rekonstrukcije, zimska temperatura vode je uglavnom održavana na 9-13 stepeni. Prije rekonstrukcije, zimski protok je bio (9,12±0,58)×10⁴ m³·d⁻¹, a nakon rekonstrukcije je povećan na (9,42±0,44)×10⁴ m³·d⁻¹. Kao što je prikazano uSlika 3(a)-(d), nakon rekonstrukcije, prosječna ulazna COD i BOD₅ opterećenja porasla su za 16,82% i 26,97%, respektivno, u poređenju sa prije rekonstrukcije, ali se efluent smanjio na (20,04±2,38) i (4,47±0,84) mg·L⁻¹, respektivno Nakon rekonstrukcije, prosječno ulazno opterećenje TP-om se povećalo za 23,40% u odnosu na prije rekonstrukcije, ali TP efluenta bi i dalje moglo biti samo (0,26±0,02) mg·L⁻¹. Nakon rekonstrukcije, ulazno opterećenje SS bilo je nešto niže nego prije, ali se efluentno SS smanjilo za više od 17,51% u odnosu na prije, na (3,44±1,17) mg·L⁻¹, sa maksimumom od samo 4,75 mg·L⁻¹.

Ključni naglasak ovog projekta nakon rekonstrukcije bilo je povećanje kapaciteta uklanjanja dušika. Nakon rekonstrukcije, prosječna opterećenja NH₃-N i TN porasla su za 21,56% i 19,79%, respektivno, u poređenju sa prije rekonstrukcije, ali se efluent smanjio na (0,94±0,22) i (8,59±0,64) mg·L⁻¹, respektivno. Maksimalni efluent NH₃-N bio je samo 1,33 mg·L⁻¹, a maksimalni TN bio je samo 9,7 mg·L⁻¹. Što se tiče uklanjanja azota, budući da je aktivni mulj i dalje imao ključnu ulogu nakon rekonstrukcije, na osnovu značajnog produženja anoksičnog vremena zadržavanja, stvarno zapreminsko opterećenje sistema zimske denitrifikacije prije i nakon rekonstrukcije nije se mnogo promijenilo. Za nitrifikaciju, nakon rekonstrukcije, efekat nitrifikacije je poboljšan dodavanjem suspendovanih nosača kako bi se formirao hibridni MBBR sistem za jačanje uklanjanja NH₃-N. Na osnovu značajnog smanjenja aerobnog vremena zadržavanja, stvarno zimsko opterećenje nitrifikacijom se povećalo sa 0,081 na 0,182 kg·(m³·d)⁻¹ nakon rekonstrukcije, što je povećanje od 124,69% u odnosu na pre rekonstrukcije. Primjena MBBR procesa u ovom projektu postigla je značajno poboljšanje performansi nitrifikacije.

2.2 Analiza performansi uklanjanja dušika iz sistema, potencijala i uloge suspendiranih nosača

Da bi se dalje odredio učinak uklanjanja dušika svake funkcionalne zone u biološkoj sekciji nakon rekonstrukcije, praćen je kvalitet vode duž biološkog rezervoara, a put uklanjanja dušika svake funkcionalne zone nakon rekonstrukcije analiziran je kroz srednje parametre kvaliteta vode svake funkcionalne sekcije. Kao što je prikazano uSlika 4, tokom perioda merenja, srednje stvarne koncentracije TN, NH₃-N i COD u biološkom rezervoaru bile su 43,59, 38,50 i 278,00 mg·L⁻¹, respektivno, a efluent TN, NH₃-N i COD smanjio se na 7,54, i 0,54 mg·L⁻¹, respektivno. Za uklanjanje TN-a, sistemska stopa uklanjanja TN-a izračunata na osnovu koncentracija TN-a u dotoku i efluentu bila je 78,95±6,01%, a uklanjanje se uglavnom dogodilo u preanoksičnoj zoni, sa količinom uklanjanja dušika od 27,51 mg·L⁻¹. Opterećenje denitrifikacijom i stopa doprinosa bile su 0,149 kg·(m³·d)⁻¹ i 79,16%±2,24%, respektivno. U kombinaciji sa promjenom koncentracije COD-a, COD/TN potrošen za denitrifikaciju u preanoksičnoj zoni bio je 5,22±0,21. Post-anoksična zona koristila je eksterni natrijum acetat za denitrifikaciju, sa količinom uklanjanja azota i opterećenjem od 4,35 mg·L⁻¹ i 0,024 kg·(m³·d)⁻¹, respektivno. Izračunati COD/TN potrošen za denitrifikaciju bio je 4,66±0,57. Natrijum acetat, kao mala molekularna so organske kiseline, lako se koristi od strane mikroorganizama i ima veću efikasnost denitrifikacije od kompleksnog izvora organskog ugljenika u sirovoj vodi. Nakon rekonstrukcije, influent je imao dobru biorazgradljivost, a zahtjevi za denitrifikaciju su se u osnovi mogli zadovoljiti samo kroz preanoksičnu zonu, čime se smanjuje pritisak na postanoksičnu denitrifikaciju i količina vanjskog izvora ugljika. Za uklanjanje NH₃-N, DO u zoni MBBR tokom stvarnog rada bio je 2–4 mg·L⁻¹, a brzina uklanjanja NH3-N sistema izračunata iz koncentracija NH3-N u dotoku i efluentu bila je 98,67%±3,14%.

U stvarnom radu postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda, uticajni šokovi kvaliteta često se javljaju zbog prirodnih faktora kao što su padavine i otapanje snega, industrijskih faktora kao što su povećana industrijska preduzeća ili privremene poslovne abnormalnosti, i društvenih faktora kao što su praznici i posebni događaji. Poboljšanje otpornosti sistema biološkog tretmana na udare postalo je ključ za siguran i stabilan rad postrojenja. Da bi se potvrdilo maksimalno tolerancijsko opterećenje sistema, provedeno je laboratorijsko ispitivanje nitrifikacije pod visokim supstratom i visokim DO. Istovremeno, da bi se provjerila stvarna uloga suspendiranih nosača u hibridnom MBBR sistemu, dva puta su postavljene tri grupe eksperimenata (hibrid, čisti biofilm i čisti mulj). Promjene u NH₃-N u svakom sistemu tokom testa prikazane su uSlika 5. Sa influentnim NH₃-N od 25 mg·L⁻¹, hibridni i čisti biofilm sistemi su smanjili NH₃-N na ispod 1,5 mg·L⁻¹ za 2,5 odnosno 3,0 sata, dok je sistem čistog mulja imao mnogo sporije smanjenje NH₃-N tokom testnog perioda. Izračunata srednja zapreminska opterećenja nitrifikacije sistema čistog mulja, čistog biofilma i hibridnog sistema bila su 0,072, 0,215 i 0,286 kg·(m³·d)⁻¹, respektivno. Prema jednadžbi (1), u prisustvu aktivnog mulja, zapreminsko opterećenje suspendovanih nosača u MBBR sistemu iznosilo je 0,214 kg·(m³·d)⁻¹, što se nije značajno razlikovalo od izmerenog opterećenja grupe sa čistim biofilmom. U poređenju sa drugim postrojenjima koja koriste hibridni MBBR proces, sa sličnim omjerima punjenja nosača, maksimalno opterećenje nitrifikacijom suspendiranih nosača u ovom projektu također je bilo na relativno visokom nivou, što se može dovesti u vezu s daljnjim povećanjem prijenosa mase suspendiranih nosača i povećanom aktivnošću funkcionalnih bakterija u uvjetima visokog utjecaja opterećenja. Uz to, uz kombinaciju aktivnog mulja, maksimalno zapreminsko opterećenje nitrifikacije pod visokim supstratom i visokim DO dostiglo je 0,286 kg·(m³·d)⁻¹, zadovoljavajući i premašujući projektno opterećenje (0,275 kg·(m³·d)⁻¹), ispunjavajući projektna očekivanja.

Da bi se kvantitativno analiziralo maksimalno tolerancijsko opterećenje biološkog sistema u ovom projektu, na osnovu volumetrijskog opterećenja hibridnog sistema izmerenog u laboratorijskom testu, u kombinaciji sa podacima o kvaliteti vode duž putanje protoka, sistem bi mogao da izdrži maksimalni kapacitet tretmana od 1,23×10⁵ m³·d⁻m. vrijeme zadržavanja) dok osigurava stabilnu usklađenost efluenta sa NH₃-N. Ovo je povećanje od 30,57% u odnosu na stvarni kapacitet zimskog tretmana ovog projekta, uz dodatno smanjeno vrijeme hidrauličkog zadržavanja sistema na 3,43 h. Slično tome, na osnovu stvarnog kapaciteta tretmana nakon rekonstrukcije, podnošljiva koncentracija NH₃-N u biološkom rezervoaru bila je čak 55 mg·L⁻¹, što je povećanje od 56,96% u poređenju sa srednjim stvarnim zimskim uticajem NH₃-N ovog projekta.

Što se tiče uloge suspendovanih nosača u hibridnom MBBR sistemu ovog projekta, prema jednačini (2), stopa doprinosa nitrifikacije biofilma suspendovanog nosača u ovom projektu iznosila je 74,83%. Vidi se da su u uslovima niskih temperatura suspendovani nosači postali dominantni faktor za nitrifikaciju u hibridnom MBBR sistemu. U kombinaciji sa literaturnim izvještajima, analizira se da pod niskim zimskim temperaturama sistem aktivnog mulja, ograničen svojom labavom strukturom i visokom specifičnom površinom, ima dobre performanse odvođenja topline i lošu toplinsku izolaciju za unutrašnje mikroorganizme, što dovodi do smanjenih performansi nitrifikacije. Nasuprot tome, biofilm na visećim nosačima, zahvaljujući svojoj gustoj strukturi i visokoj EPS zaštiti, obezbeđuje dobru toplotnu izolaciju unutrašnjeg sloja biofilma, čime se obezbeđuje dobra nitrifikacija u uslovima niskih temperatura. Osim toga, rezultati mjerenja duž toka ovog projekta pokazali su značajan fenomen uklanjanja TN u zoni MBBR. U kombinaciji sa promjenom koncentracije NH₃-N duž aerobne zone i omjera recirkulacije, izračunato uklanjanje TN je (3,42±0,11) mg·L⁻¹, sa stopom doprinosa od 9,83%±0,67%, što ukazuje na postojanje SND efekta u sistemu.

2.3 Provjera SND efekta i analiza faktora utjecaja

Trenutno, većina postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda koja primjenjuju MBBR proces mogu uočiti uklanjanje dušika u aerobnoj zoni, uglavnom uklanjajući 3–8 mg·L⁻¹ TN. Razlog za ovaj fenomen se uglavnom pripisuje SND efektu biofilma. Odnosno, kako sposobnost prodiranja rastvorenog kiseonika slabi, u unutrašnjem sloju biofilma se formira anoksični/hipoksični sloj, koji obezbeđuje uslove za obogaćivanje denitrifikujućih bakterija, postavljajući tako temelj za uklanjanje azota SND.

Da bi se dodatno potvrdio izvor aerobnog SND-a, proveden je laboratorijski test denitrifikacije korištenjem aerobnog biofilma, kao što je prikazano uSlika 6. Tokom testnog perioda, smanjenje NO₃-N je bilo relativno blago i ravnomerno, pri čemu je sistem uklonio 3,72 mg·L⁻¹ nitratnog azota za 120 minuta. Prosječan C/N koji je sistem potrošio bio je 3,43±0,05. Teoretski, C/N potreban za denitrifikaciju je 2,86. Uzimajući u obzir potrošnju biološke asimilacije i DO u sirovoj vodi, potrebni C/N generalno dostiže iznad 4. Međutim, C/N potreban za uklanjanje dušika od strane suspendiranih nosača u ovom projektu bio je niži od onog koji se troši općom mikrobnom denitrifikacijom. Nagađa se da kada suspendovani nosači u zoni MBBR vrše uklanjanje dušika SND, oni uglavnom koriste unutrašnje izvore ugljika koji nastaju starenjem i lizom biofilma kao donori elektrona, tako da je stopa iskorištenja organske tvari (vanjski izvor ugljika) u sirovoj vodi općenito niska. Upotreba ostarjelog biofilma kao unutrašnjeg izvora ugljika za denitrifikaciju također sugerira da MBBR proces može imati manju proizvodnju mulja. Koristeći cijeli testni period kao čvor, izračunato denitrifikacijsko volumetrijsko opterećenje aerobnog biofilma bilo je (0,045±0,003) kg·(m³·d)⁻¹. Biofilm na suspendovanim nosačima koji su dodani u aerobnoj zoni imao je efekat denitrifikacije, što je dokaz o pojavi istovremene nitrifikacije i denitrifikacije u biofilmu.

SND je, kao povoljan efekat nakon primjene MBBR procesa za nadogradnju u ovom projektu, dodatno poboljšao brzinu uklanjanja TN sistema i u određenoj mjeri smanjio ovisnost o vanjskim izvorima ugljika za denitrifikaciju. Da bi se dodatno pojačao aerobni SND efekat, iz perspektive optimiziranog rada, dodatno je istražen utjecaj kvaliteta ulazne i efluentne vode i kontrolnih parametara na SND efekat MBBR zone. Kroz dugotrajno praćenje kontrolnih parametara kao što su ulazni nitratni dušik (NO₃-Ninf), efluentni nitratni dušik (NO₃-Neff), influentna organska tvar (CODinf), otpadna organska tvar (CODeff), ulazni amonijačni dušik (NH₃-Ninf) (NH₃-Ningen-Ninf), totalno uklanjanje dušika (ΔTN) i DO u MBBR zoni tokom cijele zime, korišćena je analiza glavnih komponenti (PCA) da bi se istražile korelacije između ovih parametara. Rezultati su prikazani uSlika 7. ΔTN u aerobnoj zoni pokazao je relativno značajnu negativnu korelaciju sa DO, dok korelacija sa CODinf, CODeff i NO₃-Ninf nije bila očigledna. Previsok DO dovodi do temeljitijeg prijenosa mase u biofilmu, što otežava formiranje anoksične zone unutra, što je nepovoljno za proces denitrifikacije i inhibira SND efekat. Osim toga, CODinf i NO₃-Ninf u MBBR zoni nisu imali značajan uticaj na SND efekat suspendovanih nosača. S jedne strane, ovo još jednom potvrđuje da SND proces biofilma uglavnom koristi unutrašnje izvore ugljika, a ne eksterne izvore ugljika. S druge strane, to također ukazuje da NO₃-N uklonjen od strane SND u MBBR zoni ne dolazi od utjecajnog NO₃-N, već uglavnom od NO₃-N nastalog nitrifikacijom u aerobnom spremniku. NO₃-Neff je u negativnoj korelaciji sa ΔTN u aerobnoj zoni. Kao rezultat kombinovanog djelovanja nitrifikacije i SND u aerobnoj zoni, s jedne strane, veći DO dovodi do bolje nitrifikacije i većeg efluenta NO₃-Neff; s druge strane, veći DO dovodi do slabijeg SND i inhibiranijeg uklanjanja dušika, što dalje dovodi do većeg efluenta NO₃-Neff.

Da bi se postigao "mjerljiv i upravljiv" SND i dao smjernice za kontrolu rada postrojenja, DO, koji se može ručno kontrolirati, odabran je kao nezavisna varijabla, a ΔTN je korišten kao zavisna varijabla za analizu linearne regresije. Rezultati su prikazani uSlika 8(a). Kada je stvarni DO u MBBR zoni postrojenja bio 2,06–3,67 mg·L⁻¹, postojao je SND efekat, sa uklanjanjem azota od 2,36–4,10 mg·L⁻¹, a ΔTN i DO su u osnovi zadovoljavali ΔTN=6.0040 – 0,9579 DO). Nadalje, koristeći prilagođenu krivu, izračunato je da teoretski, kada je DO kontroliran ispod 6,27 mg·L⁻¹, MBBR zona može imati efekat uklanjanja dušika SND. Ovo je u skladu sa zaključkom Wang Xuejiang et al. u proučavanju efekta DO na SND efekat MBBR sistema, gdje su otkrili da stopa uklanjanja TN i dalje može premašiti 30% kada je DO bio čak 6,0 mg·L⁻¹. Međutim, treba napomenuti da je ova vrijednost teoretska vrijednost dobivena ugradnjom, a stvarni učinak primjene treba dodatno proučiti u naknadnom radu. Pored toga, treba uzeti u obzir da regulacija DO istovremeno utiče na nitrifikacioni efekat sistema, čime utiče na efikasnost uklanjanja NH₃-N. Stoga su rezultati analize linearne regresije koristeći DO kao nezavisnu varijablu i ΔNH₃-N kao zavisnu varijablu prikazani na slici 8(b). Prema srednjem dotoku NH₃-N u MBBR zoni zimi (10,47 mg·L⁻¹) i projektovanom standardu efluenta (1,50 mg·L⁻¹), izračunato je da ΔNH₃-N treba kontrolisati najmanje 8,97 mg·L⁻¹. U kombinaciji sa rezultatima linearne regresije, DO treba kontrolisati iznad 2,47 mg·L⁻¹. Ukratko, kada je DO u ovom projektu bio 2,06–3,67 mg·L⁻¹, postojao je SND efekat. Međutim, na osnovu principa ispunjavanja standarda amonijačnog azota u otpadnim vodama uz smanjenje potrošnje energije za aeraciju, DO se može kontrolisati oko 2,47 mg·L⁻¹, pri čemu je SND efekat sistema optimalan, uklanjajući 3,64 mg·L⁻¹ TN.

Kako bi se provjerio utjecaj radnih parametara na SND učinak biofilma i dobio opći obrazac, uspoređeni su SND efekti šest uređaja za pročišćavanje otpadnih voda koji primjenjuju MBBR proces u različitim radnim uvjetima. Rezultati su prikazani uTabela 2. Prvo, DO u aerobnoj zoni svake biljke je uglavnom kontrolisan na 2-3 mg·L⁻¹, a koncentracija mulja je bila 3,0-4,0 g·L⁻¹. Pod ovim uslovima mogao bi se postići relativno očigledan SND efekat. Prema rezultatima uklapanja ΔTN i DO u ovom projektu, kada je DO kontroliran ispod 6,27 mg·L⁻¹, mogao bi doći do SND efekta. Ovaj projekat, sa relativno debljim biofilmom zimi, imao je jaču toleranciju na DO. Drugo, postrojenje B, sa najnižom koncentracijom mulja, imalo je najbolji SND efekat. Biljke A, D i E, sa većim omjerom punjenja nosača, imale su očiglednije SND efekte, što sve ukazuje na to da u hibridnom MBBR sistemu, fenomen SND uglavnom potiče od biofilma.

Ukratko, pored poboljšanja efekta SND kontrolom DO, ovaj projekat bi također mogao pokušati postepeno smanjiti sistemski mulj na oko 3,0 g·L⁻¹, obezbjeđujući bolje uslove za kultivaciju debljine biofilma i formiranje anoksičnog sloja kroz nisku koncentraciju mulja, čime bi se osigurali uslovi za dalje performanse SND.

2.4 Analiza sastava bakterijske zajednice koja uklanja dušik

U smislu razlika u bogatstvu vrsta i raznolikosti između faza mulja i biofilma, na osnovu male razlike u rezultatima dva ciklusa sekvenciranja amplikona, odabran je jedan skup podataka za analizu. Kao što je prikazano uSlika 9, Chao, Ace i Simpson indeksi karakteriziraju bogatstvo i uniformnost distribucije mikrobne zajednice, dok Shannon indeks predstavlja raznolikost mikrobne zajednice. Viši Chao i Ace indeksi ukazuju na veće bogatstvo OTU, niži Simpsonov indeks ukazuje na bolju uniformnost distribucije vrsta, a viši Shanonov indeks ukazuje na veću raznolikost zajednice. Rezultati su pokazali da su i bogatstvo i raznolikost vrsta značajno veći u biofilmu nego u aktivnom mulju, a distribucija vrsta u biofilmu je također ujednačenija nego u aktivnom mulju. Ukupan broj OTU-a u biofilmu i aktivnom mulju bio je 1.652 odnosno 1.372, sa 770 zajedničkih OTU-a, što čini 46,6% i 56,1% ukupnih OTU-a u biofilmu i aktivnom mulju, respektivno. Biofilm je imao 882 jedinstvena OTU-a, što čini skoro 40% ukupnih OTU-a. Vidi se da je biofilm obogatio dio mikroorganizama koji nisu bili prisutni u izvornom aktivnom mulju. Dodavanje suspendiranih nosača značajno je povećalo bogatstvo i raznolikost mikrobne zajednice u sistemu, a složeniji sastav mikrobne zajednice također je postavio temelje za otpornost na udar MBBR sistema.

Da bi se dalje razumjele razlike u dominantnim vrstama i funkcionalnom bakterijskom sastavu između biofilma i aktivnog mulja i da bi se pružila mikroskopska podrška za SND fenomen u biofilmu, analiziran je mikrobni sastav na nivou roda. Kao što je prikazano uSlika 10, dominantne vrste u biološkom sistemu ovog projekta uključivale su norank_f_Caldilineaceae, norank_f_JG30-KF-CM45, Nitrospira, Pedomicrobium i SWB02. Među njima, norank_f_Caldilineaceae i norank_f_JG30-KF-CM45 mogu biti obogaćene i biofilmom i aktivnim muljem, sa relativnim sadržajem u biofilmu i aktivnom mulju od 3,05, 5,69% i 7,06, 3,08%, respektivno. norank_f_Caldilineaceae su uglavnom nitaste bakterije, a neki rodovi imaju sposobnost denitrifikacije. Oni su obogaćeni biofilmom jer biofilm može lučiti više EPS za njihovu proliferaciju. S druge strane, oni se također mogu obogatiti aktivnim muljem kao PAO, čime se potiče uklanjanje fosfora. norank_f_JG30-KF-CM45 može učestvovati u procesima transformacije ugljika i dušika, poboljšavajući uklanjanje organske tvari i dušika.

Prema literaturnim izvještajima, utvrđeno je da MBBR proces može postići efikasno obogaćivanje nitrificirajućih bakterija kao što su Nitrospirota, Nitrosomonas i Nitrolancea na niskim temperaturama. Glavni nitrifikacioni rod u ovom projektu bio je Nitrospira, koji ima potpunu sposobnost nitrifikacije. Njegove relativne količine u biofilmu i aktivnom mulju bile su 4,73%, odnosno 0,39%. Prema literaturnim izvještajima, relativna zastupljenost nitrifikujućih bakterija u drugim postrojenjima koja koriste sisteme aktivnog mulja pod niskim zimskim temperaturama uglavnom je ispod 1%. Nakon hibridne rekonstrukcije MBBR u ovom projektu, relativna zastupljenost nitrificirajućih bakterija u aktivnom mulju je bila relativno niska, što je dokazalo preraspodjelu nitrificirajućih bakterija u MBBR sistemu u uvjetima niskih temperatura, kao što je ranije spomenuto. Relativna zastupljenost Nitrospire u biofilmu ovog projekta bila je više od 10 puta veća od aktivnog mulja, a izračunato je da je više od 92% nitrifikujućih bakterija u sistemu obogaćeno biofilmom. To je prednost MBBR procesa u uslovima niskih temperatura, osiguravajući stabilan rad sistema.

Što se tiče SND fenomena u biofilmu, suspendirani nosači su također pokazali jači kapacitet obogaćivanja nekih denitrifikujućih bakterija od aktivnog mulja. Studije su pokazale da i SWB02 i Pedomicrobium mogu učestvovati u procesu denitrifikacije, a SWB02 može lučiti C6-HSL, koji ima dobar inhibitorni učinak na nakupljanje mulja. Relativna zastupljenost SWB02 i Pedomicrobiuma u biofilmu iznosila je 3,68% i 3,78%, respektivno, što je znatno više od njihove relativne zastupljenosti u aktivnom mulju (0,21% i 0,22%). Štaviše, izračunato je da su udjeli SWB02 i Pedomicrobiuma u cijelom hibridnom sistemu bili preko 94,5%. Iako su suspendovani nosači dodavani samo u aerobnoj zoni, zreli biofilm ima određenu debljinu. Zbog ograničenja prijenosa mase i prijenosa kisika, u unutrašnjem sloju biofilma postoji anoksična/hipoksična sredina koja obogaćuje denitrifikacijske bakterije, dajući biofilmu sposobnost denitrifikacije. Ovo je mikrobiološka osnova za istovremenu sposobnost nitrifikacije i denitrifikacije biofilma. Osim toga, otkriveno je da se Hyphomicrobium može obogatiti iu okruženjima s niskom temperaturom. Ovaj rod može koristiti toksične i vatrostalne organske spojeve za denitrifikaciju. Njegova relativna zastupljenost u biofilmu iznosila je 1,80%, također mnogo veća od relativne zastupljenosti u aktivnom mulju (0,12%).

Upoređujući dominantne denitrifikujuće bakterije (DNB) i njihovu relativnu zastupljenost u biofilmu drugih biljaka, rezultati su prikazani uTabela 3. Prvo, u pogledu sastava denitrifikujućih bakterija u aerobnom biofilmu, tipovi denitrifikujućih bakterija obogaćenih aerobnim biofilmom svakog projekta nisu bili konzistentni. Jedini rodovi koji su se ponavljali bili su Terrimonas i Hyphomicrobium. Terrimonas je takođe uobičajena denitrifikujuća bakterija u sistemima aktivnog mulja, i slično kao Hyphomicrobium, može razgraditi antracenska jedinjenja, a neke su klasifikovane kao aerobne denitrifikacione bakterije. Ove dvije bakterije pojavile su se u biljkama F, H i ovom projektu. Postrojenje H i ovaj projekat su često bili pod utjecajem industrijskih otpadnih voda tokom stvarnog rada, a specifičan kvalitet vode industrijske vode može biti jedan od razloga obogaćivanja ove dvije bakterijske grupe. Stoga se može zaključiti da specifični denitrifikujući rodovi u aerobnom biofilmu nisu neophodan uslov za SND, a razlike u kvaliteti vode među različitim projektima mogu biti glavni razlog za razlike u denitrifikujućim bakterijskim grupama. Drugo, u smislu relativnog obilja denitrifikujućih bakterija u aerobnom biofilmu, osim za biljke F, H i ovog projekta, drugi projekti su postigli relativno obilje denitrifikujućih bakterija u aerobnom biofilmu od oko 8%, sa uklanjanjem dušika SND-om preko 2 mg·L⁻¹. Pod uticajem industrijske vode, iako je relativna količina denitrifikujućih bakterija u aerobnom biofilmu postrojenja H i ovog projekta bila relativno visoka, efikasnost denitrifikacije nije bila posebno izuzetna. Može se vidjeti da kvalitet ulazne vode ima visok prioritet u odabiru tipova denitrifikujućih bakterija u aerobnom biofilmu, a utjecaj industrijske vode inhibira efikasnost denitrifikacije aerobnog biofilma.

Ukratko, MBBR proces može značajno povećati bogatstvo i raznolikost mikrobne zajednice u sistemu. Kapacitet obogaćivanja biofilma za nitrifikacioni rod Nitrospira je više od 10 puta veći od aktivnog mulja, što uveliko povećava efekat nitrifikacije sistema. Denitrifikujući rodovi kao što su SWB02, Pedomicrobium i Hyphomicrobium su bolje obogaćeni aerobnim biofilmom, pružajući mikroskopsku osnovu za SND performanse i poboljšavajući uklanjanje TN. Međutim, zbog uticaja industrijske vode, efikasnost denitrifikacije SND nije značajna.

3 Zaključci

① Postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda u jugozapadnoj Kini nadogradilo je svoj originalni CASS rezervoar u biološki rezervoar i taložnik Bardenpho-MBBR kako bi se postigla nadogradnja sa klase A na standarde kvazi klase IV. Nakon rekonstrukcije, pod zimskim temperaturama vode od 9,3–13,1 stepen i sa srednjim ulaznim opterećenjem NH3-N i TN povećanom za oko 20% u odnosu na prije rekonstrukcije, indikatori efluenta stabilno su zadovoljavali standarde vode kvazi klase IV. Maksimalno opterećenje nitrifikacijom sistema MBBR dostiglo je 0,286 kg·(m³·d)⁻¹, ispunjavajući očekivanja dizajna. Stopa doprinosa nitrifikacije suspendovanih nosača iznosila je 74,83%, zauzimajući dominantan položaj. Sistem i dalje ima potencijal da poveća kvalitet vode za 56,96% i protok za 30,57%.

② U MBBR zoni, suspendovani nosači koriste unutrašnje izvore ugljenika da bi izvršili SND efekat, postižući stopu doprinosa uklanjanja azota od 9,83%±0,67%. Da bi se pojačao SND efekat, DO treba kontrolisati što je više moguće na 2,47 mg·L⁻¹ u stvarnom radu, pri čemu SND može ukloniti 3,64 mg·L⁻¹ TN. Kasnije se mogu pokušati dalje smanjiti koncentracija mulja na oko 3,0 g·L⁻¹ kako bi se osigurali uslovi za dalje pojačavanje SND efekta biofilma.

③ MBBR proces značajno je povećao bogatstvo i raznolikost mikrobne zajednice u sistemu. Kapacitet obogaćivanja biofilma za nitrifikacioni rod Nitrospira bio je više od 10 puta veći od aktivnog mulja, što predstavlja mikrobiološku osnovu za pojačanu nitrifikaciju u ovom projektu. Denitrifikujući rodovi obogaćeni aerobnim biofilmom, kao što su SWB02, Pedomicrobium i Hyphomicrobium, postavili su mikroskopsku osnovu za pojavu SND fenomena u biofilmu.