Uklanjanje amonijačnog azota iz mikro-zagađene riječne vode i kombinovane kanalizacije korištenjem MBBR ambalaže od različitih materijala
Biofilmski reaktor sa pokretnim slojem (MBBR) kombinuje prednosti procesa aktivnog mulja i tradicionalnog procesa biofilma, što ga čini inovativnom i revolucionarnom tehnologijom u modernom biološkom tretmanu otpadnih voda. Brojne prethodne studije su pokazale da MBBR proces može efikasno ublažiti pritisak uklanjanja azota iz gradske kanalizacije. Pakovanje bio-nosača u MBBR procesu može transportovati biofilm do cijelog reaktora, promovirati kontakt između biofilma, kisika i reakcionih supstrata i poboljšati efikasnost reakcija razgradnje. Zbog svoje jedinstvene karakteristike stabilnosti i gustoće, imaju široku perspektivu primjene.
Trenutno je većina MBBR bio- ambalaže za nosač uglavnom napravljena od materijala kao što su polietilen (PE), polipropilen (PP), poliuretan (PU) i porozni poliuretan (PPC). Među njima, MBBR ambalaže na bazi PE- imaju dobar efekat uklanjanja hroma, CODCr, amonijačnog azota, ukupnog azota, ukupnog organskog ugljenika i isparljivih fenola u otpadnoj vodi; PP pakovanja se uglavnom koriste u kombinovanim MBBR procesima, kao što su MBBR-AO kombinovani proces i MBBR-MBR kombinovani proces; PU i PPC pakovanja imaju visoku poroznost, što može obezbediti veću površinu pričvršćivanja za mikroorganizme, omogućavajući mikroorganizmima da rastu brzo i stabilno, čime se efikasno uklanjaju organski zagađivači i različite hranljive materije u otpadnim vodama. PE i PPC ambalaža su trenutno dvije široko rasprostranjene vrste. PE ambalaža ima širu primjenu sa boljim performansama, dok PPC ambalaža ima jaču hidrofilnost i veću specifičnu površinu, što pogoduje vezivanju mikroorganizama. Oba tipa pakovanja imaju svoje prednosti i nedostatke, a obe imaju dobru mehaničku čvrstoću i nisku cenu. Međutim, postoji nekoliko izvještaja o njihovim efektima uklanjanja amonijačnog azota iz mikro-zagađene riječne vode i kombinovane atmosferske-kanalizacije u MBBR-AO spojenom procesu. Ovaj rad istražuje uticaj dodavanja različitih vrsta MBBR bio-noseće ambalaže (PE i PPC materijala) u MBBR-AO spojenom procesu na efikasnost uklanjanja amonijačnog azota iz mikro-zagađene riječne vode i kombinovane atmosferske{16}}kanalizacije. Istovremeno, analizira stopu formiranja biofilma i vijek trajanja različitih MBBR bio-nosećih ambalaža, s ciljem poboljšanja specifičnih metoda odabira različitih MBBR bio-nosećih ambalaža u MBBR procesu za tretman otpadnih voda.
1. Proces tretmana otpadnih voda
1. 1 Procesni tok i detalji pakovanja bio-nosača
Uređaj za tretman otpadnih voda korišten u ovoj studiji je samo-dizajniran biološki reaktor sa fluidiziranim slojem, koji usvaja MBBR-AO spojeni proces. Glavni tok procesa je prikazan na slici 1(a), a specifična oprema uključuje rešetku, pumpu za podizanje, MBBR bio-noseća pakovanja, integrisani visokoefikasni rezervoar za biološko uklanjanje azota, visoko{6}}efikasni taložnik, sistem za aeraciju, itd. 2 m³/h), efektivno hidraulično vrijeme zadržavanja je 5 sati, a efektivna zapremina reaktora je oko 10 m³.
MBBR bio{0}}noseća pakovanja u uređaju za tretman otpadnih voda su pakovanja na bazi PE-a i PPC gel noseća ambalaža. Pakovi na bazi PE- su u obliku prstenastog zračenja veličine Φ25 mm×10 mm, 19 rupa i petougaonih kanala, sa specifičnom površinom od približno 500 m²/m³ [Slika 1(b)]; pakovanja PPC gel nosača su kubična sa veličinom Φ10 mm×10 mm×10 mm i specifičnom površinom od oko 5.000 m²/m³ [Slika 1(c)].
1.2 Kvalitet kanalizacije
U ovoj studiji uređaj za prečišćavanje otpadnih voda korišten je za tretman dvije vrste vodnih tijela: mikro-zagađena riječna voda i kombinovana oborinska voda-kanalizacija. Mikro-zagađena riječna voda bila je iz urbane rijeke u regiji Zhejiang sa niskim nivoom zagađenja, a njena koncentracija amonijačnog azota bila je relativno niska, sa prosječnom koncentracijom mase od 5 mg/L. Kombinovana oborinska -kanalizacija bila je izvor utjecaja dvije kanalizacijske pumpne stanice (Pumna stanica 1 i Crpna stanica 2) postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda u Zhejiangu, sa relativno visokom koncentracijom amonijačnog azota u rasponu od 3 do 20 mg/L. To je zato što neki dušikovi oksidi u zraku reagiraju s kišnicom i formiraju dušičnu kiselinu ili nitrate tokom perioda padavina, što je pogodnije za razmnožavanje bakterija koje oksidiraju amonijak{12}}, što rezultira relativno visokim sadržajem amonijačnog dušika u kanalizaciji. U međuvremenu, pH vrijednost oba vodna tijela održavana je između 7 i 9.
1.3 Radni parametri uređaja za tretman otpadnih voda
1.2.1 Početni proces formiranja biofilma
Sistem za prečišćavanje otpadnih voda pokrenut je dodavanjem pakovanja u serijama za formiranje biofilma. Prema stvarnom efektu fluidizacije pakovanja u reaktoru, konačni volumenski udio dodanih pakovanja je određen na 20%. Tokom procesa-pokretanja, suspendovani mulj u sistemu nije vraćen, a omjer povrata mulja tokom tretmana kanalizacije bio je 1:8.
1.2.2 Kontrola radnih parametara uređaja
Uređaj za tretman otpadnih voda radio je na sobnoj temperaturi (20 stepeni). Oprema za aeraciju na dnu uređaja korišćena je za kontrolu brzine aeracije tokom tretmana kanalizacije. U međuvremenu, protok dotoka uređaja je kontrolisan na 2 m³/h, a ostali parametri tokom tretmana otpadnih voda ostali su u osnovi konzistentni. Kombinovana oborinska{5}}kanalizacija iz Crpne stanice 1 i Crpne stanice 2, kao i mikro{8}}zagađena riječna voda, odabrani su kao uzorci ulaznih voda.
2. Rezultati i diskusija
2.1 Brzina formiranja biofilma u MBBR ambalaži s različitim materijalima
Tokom početne-faze rada uređaja za prečišćavanje otpadnih voda, kvalitet ulazne vode je bio stabilan. Nakon dodavanja pakovanja u serijama, pakovanja su podvrgnuta normalnom formiranju i sazrevanju biofilma.
Pod istim radnim uslovima, stopa formiranja biofilma pakovanja bio-nosaca sa različitim materijalima značajno je varirala zbog njihovih inherentnih karakteristika. Brzina formiranja biofilma ambalaže na bazi PE- bila je relativno spora, što je zahtijevalo dodavanje hemikalija kao što je glukoza za zatvorenu aeraciju kulture. Posmatranjem rada PE i PPC ambalaže u MBBR-AO spregnutom procesu, ustanovljeno je da se oko 5 dana nakon dodavanja PE ambalaže na površini nosača pojavi tanak žućkasto-smeđi biofilm. Nakon neprekidnog rada od oko 1 sedmice, veliki broj paramecija, epistylisa, rotifera i mala količina vorticella pojavio se na površini nosača, što ukazuje da je biofilm u osnovi zreo i da je pokretanje sistema-u ovom trenutku završeno. Nasuprot tome, stopa formiranja biofilma kod PPC ambalaže bila je brža, a biofilm je u osnovi sazrio za oko 3 dana, dok se mulj mogao adsorbovati u unutrašnjost pakovanja. Formiranje biofilma pomaže u poboljšanju aktivnosti bakterija koje-oksidiraju amonijak. U poređenju sa PE ambalažom, velika specifična površina PPC pakovanja je pogodnija za stvaranje biofilma i imobilizaciju mikroba. Kod PE ambalaže od istog materijala koja tretira različite vrste kanalizacije, učinak ambalaže na stvaranje biofilma također je pokazao značajne razlike. Na slici 2(a) se može vidjeti da je na površini PE ambalaže u mikro-zagađenoj riječnoj vodi postojao tanak svijetlosmeđi biofilm. Međutim, Slika 2(b) pokazuje da je sloj biofilma na površini PE ambalaže u kombinovanoj oborinskoj-kanalizaciji bio fragmentiran, što ukazuje da je efekat formiranja biofilma PE ambalaže u mikro-zagađenoj riječnoj vodi bio znatno bolji od onog u kombinovanoj oborinskoj kanalizaciji{23}}. Na slici 2(c) i slici 2(d) se može vidjeti da razlika u efektu formiranja biofilma PPC ambalaže u mikro-zagađenoj riječnoj vodi i kombinovanoj oborinskoj kanalizaciji{28}} nije bila značajna.
2. 2 Kapacitet uklanjanja amonijačnog azota iz pakovanja bio-nosača sa različitim materijalima
Sadržaj amonijačnog azota je ključni indikator za procjenu stvarnog učinka tretmana otpadnih voda iz crpnih stanica. Stoga, kapacitet uklanjanja amonijačnog azota ima važan praktični vodeći značaj za odabir bio-tipova pakovanja nosača u MBBR-AO spojenom procesu.
2. 3 Utjecaj uklanjanja amonijačnog azota PE i PPC ambalaže na mikro-zagađenu riječnu vodu tokom kratkoročnog{2}}okretanja procesa
Kao što je prikazano na slici 3, prosječne masene koncentracije amonijačnog azota u MBBR-AO spojenom procesu sa PE i PPC ambalažom bile su 3,69 mg/L odnosno 3,39 mg/L. U međuvremenu, stvarna koncentracija amonijačnog dušika značajno je oscilirala, što je uzrokovano padavinama. U procesu sa PE ambalažom, prosječna količina uklanjanja amonijačnog azota i prosječna brzina uklanjanja mikro-zagađene riječne vode iznosila je 3,12 mg/L odnosno 84,55%, što je više od onih u procesu sa PPC ambalažom (2,56 mg/L i 75,52%). Ovo ukazuje na to da dodavanje PE ambalaže u MBBR-AO spojeni proces pogoduje uklanjanju amonijačnog azota iz mikro-zagađene riječne vode u kratkom roku (u roku od 12 dana).
2.4 Efekat uklanjanja amonijačnog azota PE i PPC ambalaže na kombinovane atmosferske-kanalizacije tokom kratkoročnog-operacije procesa
Kao što je prikazano na slici 4, tokom kratkoročnog (18-dnevnog) rada procesa MBBR-AO spojenog sa PE ambalažom, prosječne masene koncentracije amonijačnog azota kombinovane atmosferske vode-kanalizacije iz pumpne stanice 1 [Slika 4(a)] [Slika 4(a)] [Slika 4(a)] [Slika 4(a)] [Slika 4(a)] [Slika 4(a)] [Sl. mg/L i 9,35 mg/L, respektivno. Kada su PE ambalaže dodane u kratkoročni-(18-dan) tretman kombinovane atmosferske vode-kanalizacije iz Crpne stanice 1 i Crpne stanice 2 korištenjem MBBR-AO spojenog procesa, koncentracija amonijačnog dušika u efluentu se značajno smanjila. Prosječne količine uklanjanja amonijačnog dušika bile su 6,93 mg/L i 7,9 mg/L, sa prosječnim stopama uklanjanja od 95,71% odnosno 84,49%. Tokom kratkotrajnog-(18-dnevnog) tretmana kombinovane atmosferske-kanalizacije iz Crpne stanice 1, stopa uklanjanja amonijačnog azota je ostala iznad 90%, a dostigla je skoro 100% 9. dana. Tretirana kanalizacija može biti pogodnija za rast vezanih mikroorganizama, čime se potiče uklanjanje amonijačnog dušika. U međuvremenu, tokom kratkoročnog-(18-dnevnog) tretmana kombinovane atmosferske vode i kanalizacije iz Crpne stanice 2, stopa uklanjanja amonijačnog azota uglavnom je ostala oko 90%, što ukazuje da dodavanje PE ambalaže u MBBR-AO spregnutom procesu ima snažan efekat uklanjanja na amonijak azot iz azota u kombinaciji sa amonijačnom18 dnevnom vodom.
Kao što je prikazano na slici 5, u procesu MBBR-AO spojenog sa PPC pakovanjima, masene koncentracije amonijačnog azota kombinovane oborinske vode-kanalizacije iz Crpne stanice 1 [Slika 5(a)] i Crpne stanice 2 [Slika 5(b)] kretale su se u rasponu od 3 mg/2, mg/L2 i respektivno sa velikim fluktuacijama. To može biti zbog padavina koje uzrokuju da dušikovi oksidi iz zraka uđu u kanalizacijski sistem, što rezultira značajnim fluktuacijama u koncentraciji amonijačnog dušika. Prosječne masene koncentracije amonijačnog azota u kombinovanoj oborinskoj kanalizaciji{13}}iz Crpne stanice 1 i Crpne stanice 2 bile su 14,76 mg/L i 13,26 mg/L, respektivno. Nakon kratkotrajnog tretmana (24 dana) MBBR-AO spojenim procesom sa PPC pakovanjima, koncentracija amonijačnog azota u efluentu je značajno smanjena, sa prosječnim masenim koncentracijama od samo 5,32 mg/L i 6,42 mg/L. Prosječne količine uklanjanja amonijačnog dušika bile su 9,44 mg/L i 6,84 mg/L, a prosječne stope uklanjanja bile su 63,96% odnosno 51,58%. Ovo ukazuje da PPC ambalaže imaju određeni efekat na uklanjanje amonijačnog azota iz kombinovane atmosferske{30}}kanalizacije. Visoka koncentracija amonijačnog azota u kombinovanoj oborinskoj kanalizaciji-može biti posljedica unošenja drugih složenih komponenti u kanalizaciju, čime se inhibira razgradnja amonijačnog dušika od strane PPC ambalaže. U poređenju sa PE ambalažom, PPC pakovanja imaju manje pore i veću poroznost. Nečistoće i suspendirane čestice u kombinovanoj oborinskoj kanalizaciji-mogu blokirati pore PPC ambalaže, što dovodi do aglomeracije unutar ambalaže i na taj način smanjuje efikasnost uklanjanja amonijačnog azota. U međuvremenu, prethodne studije su otkrile da biofilmovi manji od 1 mm mogu uzrokovati blokadu pora unutar omotača. Iako biofilmi mogu ubrzati unutrašnju blokadu pakovanja, oni nisu glavni faktor.
Tokom kratkoročnog rada MBBR-AO spregnutog procesa, prosječne stope uklanjanja amonijačnog azota iz PE ambalaže za kombinovanu atmosfersku-kanalizaciju (95,71% za Crpnu stanicu 1 i 84,49% za Crpnu stanicu 2) bile su nešto veće od onih za mikropolu{8% vode (45%). Nasuprot tome, prosječne stope uklanjanja amonijačnog azota iz PPC ambalaže za kombinovanu oborinsku{10}}kanalizaciju (63,96% za Crpnu stanicu 1 i 51,58% za Crpnu stanicu 2) bile su nešto niže od onih za mikro{15}}zagađenu riječnu vodu (75,52%). Za PE ambalažu, u poređenju sa mikro-zagađenom riječnom vodom, niska koncentracija rastvorenog kiseonika u kombinovanoj atmosferskoj{19}}kanalizaciji je pogodnija za istovremenu nitrifikaciju i denitrifikaciju mikroorganizama na PE ambalaži za uklanjanje azota. Tokom formiranja biofilma PPC ambalaže, mulj se adsorbuje u unutrašnjost ambalaže, što dovodi do povećanja koncentracije rastvorenog kiseonika, što ne pogoduje istovremenoj nitrifikaciji i denitrifikaciji unutrašnjih mikroorganizama, što rezultira smanjenjem brzine uklanjanja amonijačnog azota u kombinovanim oborinskim vodama{21} i rečnim mikrovodama.
Ukratko, dodavanje PE ambalaže je pogodnije za razgradnju amonijačnog azota u kombinovanoj atmosferskoj-kanalizaciji MBBR-AO spojenim procesom u kratkom roku.
Efekat uklanjanja amonijačnog azota PE i PPC ambalaže na kombinovane atmosferske-kanalizacije tokom-dugotrajnog rada procesa
Kao što je prikazano na slici 6, tokom dugotrajnog-(96-dana) rada procesa MBBR-AO spojenog sa PE ambalažom, ulazne masene koncentracije amonijačnog azota kombinovane atmosferske vode-kanalizacije iz pumpne stanice 1 [Slika 6(a)] i opsega pumpe 2b (slika 6(a)) i [sl. 25 mg/L i 3 do 35 mg/L, respektivno, sa velikim fluktuacijama. Prosječne masene koncentracije amonijačnog dušika bile su 10,20 mg/L odnosno 8,93 mg/L. Nakon tretmana MBBR-AO spojenim procesom, prosječne masene koncentracije amonijačnog azota u efluentu su se smanjile na 2,93 mg/L i 2,67 mg/L, sa prosječnim količinama uklanjanja od 7,27 mg/L i 6,26 mg/L, i prosječnim stopama uklanjanja od 71,27%, odnosno 71,27% Nije bilo značajne razlike u degradaciji amonijačnog azota u kombinovanoj oborinskoj kanalizaciji-iz pumpne stanice 1 i pumpne stanice 2 dodavanjem PE ambalaže tokom dugotrajnog-(96-dana) rada MBBR-AO stope uklanjanja spojenog azota na oko 4%. Ovo ukazuje da dodavanje PE ambalaže u MBBR-AO spojenom procesu ima dobar efekat uklanjanja amonijačnog azota u kombinovanoj oborinskoj-kanalizaciji tokom dugotrajnog-(96-dana) rada. Kada je u kasnijoj fazi (84-96 dana) radio spojeni proces MBBR-AO sa PE ambalažom, bez obzira da li je dotok bio kombinovana oborinska voda-kanalizacija iz Crpne stanice 1 ili Crpne stanice 2, koncentracija amonijačnog azota u efluentu je značajno porasla, a brzina amonijačnog azota je bila značajno niža od brzine uklanjanja u ranoj fazi procesa u ranoj fazi rada. To je zato što se nakon dugotrajne upotrebe same PE ambalaže oštećuju i stare, a hrapavost površine ambalaže se mijenja, što dovodi do smanjenja radne čvrstoće i kapaciteta uklanjanja amonijačnog dušika.
Slika 7 prikazuje promjene u koncentraciji amonijačnog azota, koncentraciji amonijačnog azota u efluentu, količini uklanjanja amonijačnog azota i brzini uklanjanja amonijačnog azota tokom dugotrajnog-radovanja MBBR-AO procesa spojenog sa PPC pakovanjima. Masene koncentracije amonijačnog azota kombinovane atmosferske -kanalizacije iz Crpne stanice 1 [Slika 7(a)] i Crpne stanice 2 [Slika 7(b)] kretale su se od 3 do 35 mg/L, sa prosječnim masenim koncentracijama amonijačnog azota od 10,96 mg/L odnosno 10,96 mg/L odnosno 9,0 mg/L. Nakon tretmana MBBR-AO spojenim procesom, prosječne masene koncentracije amonijačnog dušika u efluentu su se smanjile na 3,96 mg/L i 3,39 mg/L, s prosječnim količinama uklanjanja od 7,00 mg/L i 4,71 mg/L, i prosječnim stopama uklanjanja od 63,87%, odnosno 58%. Tokom-dugotrajnog rada MBBR-AO procesa, dodavanje PPC ambalaže imalo je nešto bolji efekat razgradnje amonijačnog azota u kombinovanoj oborinskoj-kanalizaciji iz Crpne stanice 1 nego one iz Crpne stanice 2, ali razlika nije bila značajna. Ovo ukazuje da dodavanje PPC pakovanja u MBBR-AO spojeni proces ima određeni efekat uklanjanja amonijačnog azota u kombinovanoj atmosferskoj-kanalizaciji tokom dugotrajnog-radnja. Brzina uklanjanja amonijačnog azota u procesu MBBR-AO spojenog sa PPC pakovanjima tokom dugotrajnog-radnja bila je veća od one tokom kratkoročnog-radnja. To je zbog toga što se tokom{36}}dugotrajnog rada, mulj akumulira unutar PPC ambalaže, formirajući lokalnu anaerobnu ili anoksičnu sredinu, koja pruža pogodnu životnu sredinu za životne aktivnosti nitrifikujućih bakterija. Nitrificirajuće bakterije se brzo razmnožavaju, a brzina lokalne reakcije se ubrzava
Ukratko, dodavanje PE ambalaže je pogodnije za razgradnju amonijačnog azota u kombinovanoj oborinskoj{0}}kanalizaciji putem MBBR-AO spojenog procesa tokom dugotrajnog-radnja. U međuvremenu, PE ambalaže treba blagovremeno zamijeniti ili očistiti nakon dugotrajne-korisnice kako bi se osiguralo da se amonijačni azot iz kanalizacije i dalje može efikasno ukloniti tokom-dugotrajnog rada MBBR-AO procesa.
Vijek trajanja bio-pakova za nosače od različitih materijala
U poređenju sa PPC ambalažom, PE ambalaža ima duži vijek trajanja tokom-dugotrajnog tretmana mikro-zagađene riječne vode i kombinovane atmosferske vode-kanalizacije MBBR-AO spojenim procesom. Kao što je prikazano na slici 8(a), PPC ambalaža doživljava trosku i oštećenje tokom procesa obrade otpadnih voda MBBR-AO spojenim procesom. U međuvremenu, starenje i aglomeracija se dešavaju unutar ambalaže nakon dugotrajnog-radnja [Slike 8(b) i 8(c)]. PPC pakovanja imaju slabu propusnost mulja. Iako spužva-poput PPC ambalaže imaju veliku specifičnu površinu, njihove unutrašnje pore se lako adsorbiraju od strane mulja i teško izlaze. Dugotrajno-akumuliranje mulja unutar ambalaže ima tendenciju stvaranja anaerobne ili anoksične sredine, uzrokujući da se boja ambalaže postepeno mijenja iz smeđe u crnu. To dovodi do problema kao što su troska, lomljenje, starenje i aglomeracija PPC pakovanja tokom dugotrajnog-radnja, čime se skraćuje njihov vijek trajanja. Ovo je također glavni faktor za loš učinak PPC ambalaže u uklanjanju amonijačnog azota iz kombinovane atmosferske -kanalizacije [Slike 5(a) i 5(b)]. Nasuprot tome, PE ambalaža u osnovi nije imala gore navedene probleme tokom dugotrajnog-prečišćavanja otpadnih voda MBBR-AO spojenim procesom, sa boljom izdržljivošću i dužim vijekom trajanja. Razumna konfiguracija nosača može efikasno ublažiti uticaj protoka vode na biofilm, omogućavajući biofilmu da raste stabilno bez oštećenja.
Zaključci
U ovoj studiji, PE bio-noseća ambalaža i PPC ambalaža dodani su tokom procesa prečišćavanja otpadnih voda MBBR-AO spojenog procesa. Ispitivani su efekti ambalažnog materijala na razgradnju amonijačnog dušika u mikro-zagađenoj riječnoj vodi i kombinovanoj oborinskoj kanalizaciji-, kao i na brzinu formiranja mikrobnog biofilma i vijek trajanja ambalaže od različitih materijala. U poređenju sa PPC ambalažom, PE ambalaža ima sporiju stopu formiranja biofilma, ali duži vek trajanja. U međuvremenu, bilo da se koristi za dugotrajni-ili kratkoročni-tretman mikro-zagađene riječne vode i kombinovane atmosferske vode-kanalizacije MBBR-AO spojenim procesom, PE ambalaža pokazuje bolje efekte degradacije amonijačnog dušika. Rezultati istraživanja pružaju tehničku podršku pri odabiru materijala za pakovanje u procesima prečišćavanja otpadnih voda.