Efekat kombinovane tehnologije A2O-MBBR + CWs za prečišćavanje ruralnih domaćinskih otpadnih voda
Država je posljednjih godina duboko promovirala strategiju razvoja ruralne revitalizacije, fokusirajući se na poboljšanje životne sredine i postavljajući veće zahtjeve za prečišćavanje seoskih kućnih otpadnih voda. Trenutno, glavni procesi za prečišćavanje seoskih kućnih otpadnih voda uključuju biološke metode, ekološke metode i kombinovane procese, od kojih većina potiče od tretmana gradskih otpadnih voda. Međutim, ruralna područja karakterizira raštrkanost stanovništva, što dovodi do brojnih problema kao što su velika disperzija otpadnih voda, poteškoće u prikupljanju, mali obim tretmana, niske stope korištenja resursa i nedovoljna postrojenja za tretman. Nadalje, postoje značajne razlike u kvalitetu i količini otpadnih voda, geografskoj lokaciji, klimi i ekonomskim nivoima u različitim regijama, što otežava standardizaciju tehnologija prečišćavanja; jednostavno usvajanje tehnologija za tretman gradskih otpadnih voda nije izvodljivo. Infrastruktura za sakupljanje otpadnih voda, kao što su kanalizacione mreže, često je neadekvatna u ruralnim područjima. Na prikupljanje otpadnih voda lako utiče kombinovano prelivanje kanalizacije i infiltracija podzemnih voda, što rezultira niskom koncentracijom organskih voda u otpadnoj vodi i povećanom poteškoćom za biološko uklanjanje azota. Velike fluktuacije u kvaliteti i količini otpadnih voda u ruralnim područjima otežavaju održavanje stabilne koncentracije biomase u postrojenjima za tretman. Štaviše, niske zimske temperature ograničavaju kapacitet biološkog tretmana, što dovodi do niske efikasnosti i nestabilnog kvaliteta efluenta koji je sklon prekoračenju standarda u tradicionalnim procesima aktivnog mulja. Stoga postoji hitna potreba za razvojem tehnologija za prečišćavanje otpadnih voda prikladnih za lokalne uslove, sa jakom otpornošću na udarna opterećenja, stabilnim dugotrajnim-radom, niskom potrošnjom energije i visokom efikasnošću tretmana.
Ruralna područja u Kini imaju tendenciju da preferiraju nisko-jednostavne-tehnologije za-upravljanje kućnim otpadnim vodama, pri čemu su biološki i ekološki kombinovani procesi glavni istraživački pravac. Trenutno, široko korištena integrirana oprema za prečišćavanje otpadnih voda u ruralnim područjima uglavnom koristi procese kao što su anaerobni-anoksični-oksid (A2O) i reaktor za biofilm sa pokretnim slojem (MBBR). Studije pokazuju da se MBBR proces više oslanja na dizajn postrojenja nego na preciznu operativnu kontrolu, ne zahtijevajući stručno tehničko osoblje za regulaciju, što ga čini pogodnim za rad i održavanje. Ovo je pogodnije za praktične potrebe prečišćavanja seoskih kućnih otpadnih voda gdje je tehničko osoblje malo. Njegove prednosti uključuju visoku koncentraciju biomase, jaku otpornost na udarna opterećenja, visoku efikasnost tretmana i mali otisak. Istraživanje Luo Jiawena i sur. ukazuje da dodavanje MBBR medija u A2O proces može značajno poboljšati njegov kapacitet tretmana otpadnih voda. Zhou Zhengbing i dr., u stvarnom projektu ruralne kućne otpadne vode, dizajnirali su dvostepeni anaerobni/anoksični-kombinovani proces biološkog gaziranog filtera, postižući stabilan kvalitet efluenta koji zadovoljava standard razreda A od GB 18918-2002 Standarda Pollu Wandera Municipaliteta za vodu Biljke". Osim toga, izgrađene močvare (CW) se često koriste za prečišćavanje seoskih kućnih otpadnih voda. Na primjer, Zhang Yang et al. koristio biouglje kao punilo za modifikaciju izgrađenog močvarnog zemljišta, pri čemu bi stope uklanjanja za TN, TP i COD mogle dostići 99,41%, 91,40% i 85,09%, respektivno. Prethodno istraživanje naše grupe takođe je pokazalo da punilo biougljeva mulja može poboljšati performanse uklanjanja azota i fosfora iz izgrađenih močvara, poboljšavajući ukupnu efikasnost i efektivnost tretmana sistema, i čineći sistem otpornijim na udarna opterećenja. Nadovezujući se na gore navedeno istraživanje, kako bi istražio kombiniranu tehnologiju prikladnu za prečišćavanje seoske kućne otpadne vode i riješio izazove kao što su poteškoće u održavanju stabilne koncentracije biomase, slaba otpornost na udarna opterećenja i kvaliteta otpadnih voda sklona fluktuacijama i premašuje standarde u ruralnim postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda, autor je postavio A2O-MBBR proces s integriranim procesom punjenja unaprijed za kreiranje biofilmnog procesa. fiksno-okruženje filmskog aktivnog mulja (IFAS), povećavajući koncentraciju mulja u sistemu i poboljšavajući efikasnost tretmana. Uzimajući u obzir ekološko korištenje raspoloživog neiskorišćenog zemljišta kao što su bare i depresije u ruralnim područjima, te kombiniranje izgrađenih močvara kao procesa poliranja, korištene su metode kao što su korištenje punila biougljevinom mulja, recirkulacija nitrificirane tekućine i sadnja potopljenih biljaka kako bi se poboljšala operativna stabilnost kompozitnog močvarnog područja. Tako je konstruisan A2O-MBBR + CWs kombinovani proces.
U ovoj studiji, koristeći sirovu otpadnu vodu iz seoskog postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda u Hefeiju kao objekt za tretman, konstruisana je pilot-eksperimentalna postavka A2O-MBBR + CWs kombinovanog procesa. Istražen je utjecaj sezonskih promjena temperature vode na učinak tretmana. Indikatori zagađivača u dovodu i efluentu su praćeni tokom rada kako bi se istražila efikasnost uklanjanja i operativna stabilnost. Istovremeno je analizirana ekonomska izvodljivost procesa. Cilj je pružiti referencu podataka i osnovu za primjenu kombinovane tehnologije A2O + izgrađenih močvarnih područja u projektima prečišćavanja ruralnih domaćih otpadnih voda u Kini, te ponuditi reference za promoviranje tretmana kućnih otpadnih voda i izgradnju prekrasnih, ekološki prihvatljivih sela u ruralnim područjima.
1. Eksperimentalna postavka i metode istraživanja
1.1 Kombinovani tok procesa
Eksperiment kombiniranog procesa A2O-MBBR + CWs usvojio je serijski rad jedinice A2O, močvarnog područja s podzemnim protokom na bazi ugljika- i ekološkog ribnjaka. A2O jedinica se sastojala od anaerobnog anaerobnog-anoksičnog kontaktnog rezervoara i aerobnog membranskog rezervoara (MBBR). I prekriveni anaerobni rezervoar i zona aeracije aerobnog MBBR rezervoara bili su ispunjeni suspendovanim nosačem biofilma kako bi se obezbedile površine za pričvršćivanje mikroorganizama da formiraju biofilmove. Aktivni mulj i biofilm u rezervoarima koegzistirali su, formirajući IFAS sistem, koji je mogao stabilno održavati biomasu sistema. Zatvoreni anoksični rezervoar je poboljšao proces denitrifikacije kroz recirkulaciju nitrifikovane tečnosti. Aerobni MBBR rezervoar je imao sistem za aeraciju na dnu kako bi se poboljšale njegove performanse nitrifikacije. Port za doziranje poli aluminijum hlorida (PAC) postavljen je unutar rezervoara za dodatno hemijsko uklanjanje fosfora, omogućavajući efikasno uklanjanje fosfora. Jedinica CWs uključivala je močvarno zemljište-bazirano na podzemnom toku i potopljeno biljno ekološko jezero. Izgrađeno močvarno zemljište sa podzemnim protokom na bazi ugljenika-usvojilo je trostepeni sistem filtracije punila. Diskovi za aeraciju su instalirani na dnu zone punjenja za ispiranje medija kako bi se ublažilo začepljenje. Potopljeni biljni ekološki ribnjak imao je na dnu sloj supstrata krečnjaka i bio je zasađen hladno-tolerantnim potopljenim biljkama Vallisneria natans i Potamogeton crispus. Postavka je postavljena na otvorenom. U ekološki ribnjak postavljen je termometar za praćenje sezonskih promjena temperature vode. Detaljan tok procesa kombinovanog procesa A2O-MBBR + CWs prikazan je uSlika 1.
1.2 Dizajn podešavanja i operativni parametri
Eksperimentalna postavka je napravljena od polipropilenskih ploča debljine 10 mm. Prekriveni anaerobni rezervoar bio je napunjen kvadratnim nosačem biofilma i sadržavao je odbojne ploče. Omjer recirkulacije miješane tekućine za prekriveni anoksični rezervoar bio je 50%~150%, a sadržavao je i pregrade. Aerobni MBBR rezervoar je pregradom podijeljen na zonu aerobne aeracije i zonu sedimentacije. Zona aeracije je ispunjena MBBR suspendovanim nosećim medijem sa omjerom zraka-prema-vode od 6:1~10:1. Zona sedimentacije imala je otvor za doziranje PAC-a i nagnute ploče za pomoć pri sedimentaciji. Močvarno zemljište na bazi ugljika-: primarna zona punjenja bila je ispunjena krečnjakom (~5 cm promjera), sekundarna zona punila zeolitom (~3 cm promjera), a tercijarna zona punila punilom mulja (~0,5~1,0 cm promjera). Visina punila za svaku zonu bila je 75 cm. Razmak širine oko 4 cm postavljen je između primarne i sekundarne zone punjenja za funkcije kao što su dodavanje vanjskih izvora ugljika, promatranje i održavanje/pražnjenje (nijedan izvor ugljika nije dodan tokom ovog eksperimenta). Potopljeni ekološki ribnjak ispunjen je krečnjačkim punilom (~3 cm promjera) na visini od 20 cm. Potopljene biljke sađene su na razmaku između redova od 10 cm i razmaku biljaka od 10 cm. Eksperiment je koristio sirovu otpadnu vodu iz seoskog postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda u Hefeiju kao uticajnu. Eksperimentalni period je bio od 25. maja 2022. do 17. januara 2023. godine, ukupno 239 dana. Potopljene biljke berbe su jednom 2. decembra, sa učestalošću otprilike jednom u 6 mjeseci. Projektovani kapacitet tretmana otpadnih voda bio je 50~210 L/d. Detaljni projektni parametri instalacije su prikazani uTabela 1.
1.3 Eksperimentalne metode
1.3.1 Eksperimentalni dizajn
1.3.1.1 Test kapaciteta optimalnog tretmana otpadnih voda
Nakon uspješnog probnog rada eksperimentalne postavke (stabilan kvalitet efluenta), od 25. maja 2022. do 30. juna 2022. godine sprovedeno je ispitivanje optimalnog kapaciteta za prečišćavanje otpadnih voda. U uslovima održavanja aerobnog rezervoara omjer zraka-/-vode 6:1, omjer nitrificirane tečnosti i recirkulacije P102O2% tečnosti korišćenjem od oko 3,7 g/d, kapacitet postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda postepeno je povećan (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 L/d). Promjene u kvaliteti efluenta su praćene kako bi se istražio optimalni kapacitet za tretman otpadnih voda postrojenja. Tokom ovog perioda, temperatura vode je varirala između 24,5~27,1 stepeni. Kako bi se osigurala stabilna usklađenost efluenta zimi, usvojeni standard za otpadne vode bio je standard razreda A GB 18918-2002 "Standard za ispuštanje zagađivača za komunalna postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda".
1.3.1.2 Test performansi kombinovanog procesa ukupnog tretmana
Testni period je bio od 1. jula 2022. do 17. januara 2023. Optimalni kapacitet prečišćavanja otpadnih voda je postavljen na 120 L/d. Odnos vazduha -/{7}} vode u aerobnom rezervoaru bio je 6:1~10:1, a omjer recirkulacije miješane tekućine bio je 50%~150%. Indikatori kvaliteta dovodne i otpadne vode (TN, TP, NO3--N, NH4+-N, i COD) iz svake procesne jedinice su praćeni. Zabilježene su promjene temperature vode tokom testnog perioda (pod utjecajem sezonske klime). Analiziran je učinak tretmana kombiniranog procesa A2O-MBBR + CWs za seoske kućne otpadne vode i istražen je utjecaj sezonskih promjena temperature vode na performanse kombinovanog procesa.
1.3.2 Uzorkovanje
Tokom perioda ispitivanja, uzorci su uzimani neredovno (otprilike 1-2 puta sedmično) za ispitivanje kvaliteta vode. Uzorci su sakupljeni iz efluenta iz instalacije, efluenta anaerobnog-anoksičnog rezervoara, efluenta iz aerobnog MBBR rezervoara, efluenta iz močvarnog područja zasnovanog na ugljiku- podzemnog toka i efluenta iz ekološkog jezera potopljenih biljaka. Uzorci dotoka su uzeti iz ulazne cijevi instalacije, a uzorci otpadnih voda iz izlaza svake jedinice. Ispitivanje indikatora kvaliteta vode završeno je istog dana uzorkovanja. Testirani indikatori su uključivali TN, TP, NO3--N, NH4+-N i COD. Svaki put kada su uzorci uzimani, očitavanje temperature vode sa termometra u ekološkom ribnjaku je zabilježeno (u rasponu od 0~32 stepena). Temperatura vode u ekološkom ribnjaku mijenjala se prirodno sa sezonskim temperaturnim razlikama. Dizajnirani standard efluenta za eksperimentalnu postavku slijedio je standard razreda A DB 34/3527-2019 „Standard za ispuštanje zagađivača vode za objekte za prečišćavanje ruralnih kućanskih otpadnih voda“. Projektirane koncentracije influenta i standardi efluenta su detaljno opisani uTabela 2.
1.3.3 Metode analize kvaliteta vode
Koncentracija TN u uzorcima vode određena je korištenjem HJ 636-2012 "Kvalitet vode - Određivanje ukupnog azota - Alkalna kalijum persulfatna digestija UV spektrofotometrijska metoda". NO3--Koncentracija N je određena korištenjem HJ/T 346-2007 "Kvalitet vode - Određivanje nitratnog azota - Ultraljubičasta spektrofotometrija (proba)". NH4+-Koncentracija N je određena korištenjem HJ 535-2009 "Kvalitet vode - Određivanje amonijačnog azota - Nessler-ova reagens spektrofotometrija". COD je određen korištenjem HJ 828-2017 "Kvalitet vode - Određivanje hemijske potrebe za kisikom - Dihromat metodom". Koncentracija TP je određena pomoću GB 11893-1989 "Kvalitet vode - Određivanje ukupnog fosfora - Spektrofotometrijska metoda amonijum-molibdata".
2. Rezultati i diskusija
2.1 Utjecaj kapaciteta za tretman otpadnih voda na performanse kombinovanog procesa
Kao što je prikazano uSlika 2 (a)(b), kako se dnevni kapacitet tretmana otpadnih voda postepeno povećavao sa 50 L/d na 210 L/d, efikasnost uklanjanja TN i NH4+-N po svakoj jedinici kombinovanog procesa pokazalo je opadajući trend. Stopa uklanjanja TN smanjena je sa 91,55% (50 L/d) na 52,17% (210 L/d), a NH4+-Stopa uklanjanja N je smanjena sa 97,47% (70 L/d) na 80,68% (210 L/d). To je zato što povećanje kapaciteta dnevnog tretmana otpadnih voda smanjuje vrijeme hidrauličkog zadržavanja, skraćujući vrijeme dostupno mikroorganizmima za razgradnju zagađivača, što rezultira lošijim performansama tretmana. Među njima, jedinica A2O je najviše doprinijela TN i NH4+-N uklanjanje. Prosječna koncentracija ulaznog TN za ovu jedinicu bila je 38,68 mg/L, efluent je bio 16,87 mg/L, sa stopom uklanjanja od 56,29%. Prosječan uticaj NH4+-Koncentracija N je bila 36,29 mg/L, efluent je bio 5,50 mg/L, sa stopom uklanjanja od 84,85%. Za močvarno zemljište sa ugljičnim-baziranim podzemnim tokom, prosječna koncentracija dotoka TN bila je 16,87 mg/L, efluent je bio 11,96 mg/L, sa stopom uklanjanja od 29,10%. Za potopljeni biljni ekološki ribnjak, prosječna koncentracija dotoka TN bila je 11,96 mg/L, efluent je bio 9,47 mg/L, sa stopom uklanjanja od 20,82%. Performanse uklanjanja azota u močvarnoj zemlji-baziranoj na ugljiku podzemnog toka bile su bolje od one u ekološkom ribnjaku jer je anaerobno{15}}anoksično okruženje močvarnog područja podzemnog toka pogodnije za denitrifikaciju. Međutim, NH4+-Učinak uklanjanja N ekološkog ribnjaka bio je bolji od učinka močvarnog područja podzemnog toka. Prosječan uticaj NH4+-Koncentracija N za močvarno zemljište na bazi ugljika-podpovršinskog toka bila je 5,50 mg/L, efluent je bio 4,04 mg/L, sa stopom uklanjanja od samo 26,53%. Za ekološki ribnjak, prosječan utjecaj NH4+-Koncentracija N je bila 4,04 mg/L, efluent je bio 2,38 mg/L, sa stopom uklanjanja od 41,07%. To je zato što je aerobno okruženje ekološkog ribnjaka pogodnije za nitrifikaciju, pretvarajući više NH4+-N u NO3--N, što rezultira višim NH4+-N stopa uklanjanja. Kada je kapacitet prečišćavanja otpadnih voda dostigao 150 L/d, koncentracija efluenta TN bila je 15,11 mg/L, premašujući standard razreda A iz GB 18918-2002. Stoga, kako bi se osigurala stabilna usklađenost sa TN, maksimalni kapacitet tretmana otpadnih voda bio je 120 L/d. Kada je kapacitet tretmana otpadnih voda dostigao 210 L/d, efluent NH4+-Koncentracija N je bila 7,07 mg/L, što je premašilo standard razreda A GB 18918-2002. Dakle, maksimalni kapacitet prečišćavanja otpadnih voda za NH4+-N usklađenost je bila 180 L/d.
Kao što je prikazano uSlika 2 (c), prosječni utjecaj COD bio je ispod 100 mg/L, što ukazuje na nizak sadržaj organskih tvari. Povećanje kapaciteta za prečišćavanje otpadnih voda nije značajno uticalo na uklanjanje KPK, sa stopama uklanjanja KPK između 75%~90%. Kako se kapacitet prečišćavanja otpadnih voda povećao sa 50 L/d na 210 L/d, prosječni COD efluenta bio je 19,16 mg/L, sa maksimalnim COD efluenta od 26,07 mg/L, što je još uvijek daleko ispod standarda od 50 mg/L od GB 18918-2002, jer je uređaj A2 Grade A najviše doprinio uklanjanju A2 COD uređaja. aerobni MBBR rezervoar stvorio je aerobno okruženje, pojačavajući biohemijski kapacitet aerobnih mikroorganizama i jačajući uklanjanje KPK. Osim toga, recirkulacija nitrificirane tekućine u A2O jedinici omogućila je zaprepaštenom anoksičnom spremniku da dalje koristi organsku materiju u otpadnoj vodi kao izvor ugljika, uklanjajući dio COD-a, istovremeno povećavajući denitrifikaciju. Močvarno zemljište sa podzemnim tokom na bazi ugljenika{18}} doprinijelo je na drugom mjestu uklanjanju COD-a. Njegovo anaerobno-anoksično okruženje pogoduje korišćenju organske materije u otpadnoj vodi kao izvora ugljika, razgrađujući dio organskih tvari uz povećanje denitrifikacije, što je također razlog zašto je imao bolje uklanjanje TN-a. Nadalje, sloj supstrata močvarnog područja podzemnog toka može adsorbirati neke organske tvari. Ekološki ribnjak je imao ograničen učinak na degradaciju KPK. Prosječni utjecaj COD za ekološki ribnjak bio je 22,21 mg/L, a najlakše biorazgradivi organski dijelovi su već bili razgrađeni, ostavljajući organske tvari koje je teže razgraditi.
Kao što je prikazano uSlika 2 (d), kako se kapacitet tretmana otpadnih voda povećavao, koncentracija TP u efluentu je ostala stabilna. Povećanje kapaciteta za tretman otpadnih voda nije značajno uticalo na uklanjanje TP. Prosječna koncentracija TP u influentu bila je 3,7 mg/L, a prosječna koncentracija efluenta je bila 0,18 mg/L, sa prosječnom stopom uklanjanja od 95,14%, što ukazuje na dobro uklanjanje TP. TP je uglavnom uklonjen u jedinici A2O. Koncentracija ulaznog TP za jedinicu A2O bila je 3,7 mg/L, a efluent je bio samo 0,29 mg/L, što je bolje od standarda od 0,5 mg/L GB 18918-2002 Grade A. To je zato što jedinica A2O ne samo da je imala biološki dodatak fosfora sa uklanjanjem organskih fosfat-fosfata (dodatak organskog fosfora) hemijsko uklanjanje fosfora doziranjem 3,7 g/d PAC-a. Kombinacija biološkog i hemijskog uklanjanja fosfora rezultirala je uklanjanjem preko 90% fosfora u A2O jedinici. Močvarno zemljište sa podzemnim tokom i ekološki ribnjak uglavnom su se oslanjali na mehanizme kao što su adsorpcija supstrata, sedimentacija, usvajanje biljaka i mikrobna degradacija za uklanjanje fosfora. Štaviše, koncentracija TP koja ulazi u močvarno područje već je bila niska od 0,29 mg/L, što je otežalo dalje uklanjanje. Ovi kombinovani razlozi doveli su do opšteg učinka uklanjanja TP-a močvarnog i ekološkog ribnjaka.
Stoga, da bi se osigurala stabilna usklađenost svih indikatora efluenta sa standardom GB 18918-2002 Grade A, optimalni kapacitet tretmana otpadnih voda za ovaj proces je određen na 120 L/d.
2.2 Učinak uklanjanja zagađivača kombinovanog procesa
2.2.1 Performanse uklanjanja COD-a
Kao što je prikazano uSlika 3, tokom perioda testiranja ukupnog učinka tretmana (1. jula 2022. do 17. januara 2023., kapacitet prečišćavanja otpadnih voda 120 L/d), temperatura vode je pokazala fluktuirajući opadajući trend, opadajući sa 32 stepena na 0 stepeni. Brzina uklanjanja COD-a je fluktuirala, a smanjenje temperature vode nije imalo očigledan utjecaj na uklanjanje COD-a. U kombinaciji saSlika 4, stopa uklanjanja COD-a varirala je između 66,16%~82,51%, prvenstveno pod utjecajem utjecajne koncentracije COD-a. Istraživanja pokazuju da se u anaerobnim/anoksičnim uvjetima uklanjanje KPK uglavnom oslanja na djelovanje mikroba. A2O-MBBR+CWs proces se izmjenjuje između anaerobnih-anoksičnih-oksičnih-anoksičnih-oksičkih uslova, poboljšavajući uklanjanje COD-a. Tokom rada, kako se temperatura vode smanjivala, iako se COD kretao u rasponu od 80~136 mg/L, efluentni COD je ostao stabilan ispod 50 mg/L, ispunjavajući standard razreda A DB 34/3527-2019, što ukazuje na dobru organsku degradaciju. Sekcija A2O je najviše doprinijela uklanjanju COD-a. Zbunjeni anaerobni-anoksični kontaktni rezervoar imao je prosječnu stopu uklanjanja COD-a od 43,38%, što čini 65,43% ukupnog uklanjanja COD-a. Aerobni MBBR rezervoar imao je prosječnu stopu uklanjanja od 14,69%, što čini 19,87% ukupnog. Sekcija A2O je doprinijela više od 85% uklanjanju COD-a, zahvaljujući velikoj specifičnoj površini medija u zakrivljenom anaerobnom rezervoaru i aerobnom MBBR rezervoaru, visokoj koncentraciji mulja i formiranju lanca ishrane od bakterija → protozoa → metazoa, efikasno razgrađujući organsku materiju u vodi. Visoka biodiverzitet IFAS sistema osigurala je dobro organsko uklanjanje čak i uz promjene temperature. Dodatno, dio rastvorljive organske materije u otpadnoj vodi u zatvorenom anaerobno-anoksičnom kontaktnom rezervoaru bi se koristio kao izvor ugljika od strane denitrifikujućih bakterija. U međuvremenu, recirkulacija miješanog likera povećala je NO3--Koncentracija N u zamršenom anoksičnom rezervoaru, promovirajući korištenje izvora ugljika denitrifikujućim bakterijama za pretvaranje NO3--N/NE2--N u gasoviti dušik. Visoka stopa uklanjanja COD-a u zatvorenom anaerobnom-anoksičnom kontaktnom rezervoaru dodatno potvrđuje da ovaj proces može efikasno iskoristiti organsku tvar u otpadnoj vodi kao izvor ugljika za denitrifikaciju. Močvarno zemljište sa -baziranim podzemnim tokom imalo je prosječnu stopu uklanjanja COD-a od 7,18%, što čini 9,18% ukupnog uklanjanja COD-a. Anaerobno/anoksično okruženje močvarnog područja podzemnog toka pogodno je za mikroorganizme koji koriste organsku materiju kao izvor ugljika, postižući uklanjanje COD-a uz povećanje denitrifikacije. Srodna istraživanja također pokazuju da punilo biouglja može adsorbirati organsku materiju putem elektrostatičke privlačnosti i međumolekularne vodikove veze. Stoga bi punilo biougljeva mulja u močvarnom području podzemnog toka također adsorbiralo nešto organske tvari. Potopljeni ekološki ribnjak imao je prosječnu stopu uklanjanja COD-a od samo 3,68% jer je COD koji je ulazio u ribnjak već bio nizak na 30,59 mg/L u prosjeku, i uglavnom se sastojao od vatrostalnih organskih tvari, uklonjenih uglavnom adsorpcijom i upijanjem biljaka, s ograničenim učinkom.
2.2.2 Performanse uklanjanja dušika
Kao što je prikazano uSlika 3, kako se temperatura vode postepeno smanjivala sa 32 stepena na 12 stepeni , TN i NH4+-N stope uklanjanja su varirale. Prosječna stopa uklanjanja TN dostigla je 75,61%, a prosječna NH4+-Stopa uklanjanja N je dostigla 95,70%. Kada je temperatura vode pala ispod 12 stepeni, TN i NH4+-N stope uklanjanja su pokazale brzi opadajući trend, ali prosječne stope uklanjanja su i dalje dostigle 58,56% odnosno 80,40%. To je zato što sezonsko smanjenje temperature vode inhibira mikrobnu aktivnost, slabi učinak denitrifikacije. Prema statističkim rezultatima koncentracija zagađujućih materija u influentu i efluentu tokom kombinovanog perioda rada procesa (01.07.2022. do 17.01.2023.) prikazanim uTabela 3, prosječan uticaj TN i NH4+-Koncentracije N bile su 36,56 mg/L i 32,47 mg/L, respektivno. NH4+-N čini 88,81% TN. Influent NO3--N (0,01 mg/L) je bio gotovo zanemarljiv. Prosječni efluent TN i NH4+-Koncentracije N bile su 11,69 mg/L i 3,5 mg/L, respektivno, obe zadovoljavaju standard razreda A DB 34/3527-2019. Prosječan efluent NO3--Koncentracija N je bila 6,03 mg/L, što ukazuje na dobar kapacitet nitrifikacije ovog procesa, pretvarajući NH4+-N do NE3--N. Međutim, akumulacija NO3--N u efluentu sugerira da još ima prostora za dalju denitrifikaciju. Kao što je prikazano uSlika 5 (a), uklanjanje TN bilo je najveće u A2O sekciji. Zbunjeni anaerobni-anoksični kontaktni rezervoar imao je prosječnu stopu uklanjanja TN-a od 44,25%, a aerobni MBBR spremnik imao je prosječnu stopu uklanjanja TN-a od 9,55%. To je rezultat kombiniranog djelovanja nitrificirajućih bakterija u aerobnoj zoni i denitrifikujućih bakterija u anoksičnoj zoni. Izgrađeno močvarno zemljište-na bazi ugljenika imalo je prosječnu stopu uklanjanja TN-a od 11,07%, jer njegova sposobnost oslobađanja izvora ugljika i njegovo anaerobno/anoksično okruženje pogoduju denitrifikaciji, održavajući određeni kapacitet uklanjanja dušika. Potopljeni ekološki ribnjak imao je prosječnu stopu uklanjanja TN-a od samo 3,54%, s općim performansama uklanjanja, jer njegovo aerobno okruženje nije pogodno za denitrifikaciju. Kao što je prikazano uSlika 5 (b), NH4+-N uklanjanje je primarno završeno u odjeljku A2O. Zbunjeni anaerobni{3}}anoksični kontaktni rezervoar imao je NH4+-Stopa uklanjanja N od 59,46%, a aerobni MBBR rezervoar je imao NH4+-Stopa uklanjanja N od 24,24%. Sekcija A2O činila je 93,57% ukupnog NH4+-N uklanjanje. Visoki NH4+-Uklanjanje N u sekciji A2O je zbog kontinuirane aeracije u aerobnom MBBR rezervoaru, omogućavajući nitrifikujućim bakterijama da u potpunosti iskoriste DO za pretvaranje NH4+-N do NE3--N. To se zatim vraća u anoksični rezervoar, gdje denitrifikujuće bakterije pretvaraju NO3--N do N2 za uklanjanje. Tokom testnog perioda, prosječna stopa uklanjanja TN bila je 68,40%, a prosječna NH4+-Stopa uklanjanja N iznosila je 89,45%, što ukazuje na dobre performanse uklanjanja azota.
Kao što je prikazano uSlika 3, kako je temperatura vode pala sa 32 stepena na 0 stepeni , brzina uklanjanja TN je smanjena sa maksimalnih 79,19% na 51,38%. U kombinaciji saSlika 5 (a), when water temperature was >20 stepeni, prosječna stopa uklanjanja TN-a premašila je 75%, sa prosječnom koncentracijom efluenta od 8,41 mg/L, jer je mikrobna aktivnost veća u rasponu od 20~32 stepena, što dovodi do bolje denitrifikacije, u skladu sa istraživanjem Zhang Na et al. Kada se temperatura vode smanjila sa 20 stepeni na 5 stepeni, prosečna brzina uklanjanja TN se smanjila na 65,44%, a prosečna koncentracija efluenta porasla je na 12,70 mg/L. Kada je temperatura vode bila 0~5 stepeni, prosječna brzina uklanjanja TN-a se smanjila na 52,75%, a prosječna koncentracija efluenta porasla je na 17,62 mg/L, što ukazuje na određeni utjecaj na uklanjanje TN-a. Istraživanja pokazuju da kako temperatura vode opada, mikrobna aktivnost je inhibirana. Kada temperatura vode<5.6°C, microorganisms are basically dormant, and population numbers sharply decrease, limiting pollutant degradation. When water temperature <4°C, microorganisms begin to die. However, in this process, even when water temperature dropped to 0°C, the TN removal rate still reached 51.52%, and effluent always met the Grade A standard of DB 34/3527-2019. This is because the IFAS system in the A2O section maintained high biomass concentration. During the test period, MLSS concentration in the baffled anaerobic-anoxic contact tank and aerobic MBBR tank reached 6,000~8,000 mg/L. Additionally, recirculation of nitrified liquid further enhanced denitrification. Furthermore, wastewater passed sequentially through the limestone, zeolite, and sludge biochar filler zones of the subsurface flow wetland, where anaerobic and aerobic reactions occurred simultaneously. Various organics adsorbed on filler surfaces and the slow-release of carbon sources from biochar filler promoted denitrification, further enhancing nitrogen removal. Research indicates that biochar can increase the abundance and diversity of denitrifying microorganisms in wetlands. Also, due to its structure, subsurface flow wetlands have some thermal insulation effect, helping maintain internal microbial activity. Under the influence of multiple factors, the combined process exhibited strong resistance to low-temperature shock, maintaining over 50% TN removal even at 0°C. In summary, when water temperature is >5 stepeni, učinak uklanjanja TN-a je dobar, sa efluentom stabilnim ispod 15 mg/L. U ovom trenutku, uzimajući u obzir uklanjanje drugih zagađivača, kapacitet tretmana otpadnih voda može se na odgovarajući način povećati.
Kao što je prikazano uSlika 3, kako se temperatura vode postepeno smanjivala, NH4+-Stopa uklanjanja N je smanjena sa maksimalnih 99,52% na minimalnih 74,77%, a efluent NH4+-Koncentracija N je povećana sa minimalnih 0,17 mg/L na 8,40 mg/L. Smanjenje temperature vode inhibira aktivnost nitrifikujućih i nitrifikujućih bakterija, smanjujući NH4+-N removal. However, when water temperature >12 stepeni, prosječni efluent NH4+-Koncentracija N je bila 1,58 mg/L. Kada je temperatura vode manja ili jednaka 12 stepeni, prosječni efluent NH4+-Koncentracija N je povećana na 6,58 mg/L, ali efluent NH4+-N je uvijek ispunjavao standard razreda A DB 34/3527-2019. Kada je temperatura vode bila 20~32 stepena, prosječna NH4+-N stopa uklanjanja premašila je 96%. U kombinaciji saSlika 5 (b), efluent NH4+-Koncentracija N je bila ispod 2 mg/L u ovom rasponu, što ukazuje na visoku aktivnost nitrifikujućih bakterija i odličan ukupni NH4+-N uklanjanje. Kada se temperatura vode postepeno smanjivala sa 20 stepeni na 12 stepeni, prosečna NH4+-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12 stepeni je pogodan za nitrifikaciju rasta bakterija, podstičući nitrifikaciju. Stoga, NH4+-N održava visoke stope uklanjanja u rasponu od 12~20 stepeni. Kada se temperatura vode postepeno smanjivala sa 12 stepeni na 0 stepeni, prosečna NH4+-N stopa uklanjanja je i dalje dostigla 80%. Postojeća istraživanja pokazuju da nitrifikacijske bakterije gotovo gube kapacitet nitrifikacije na 0 stepeni. Međutim, rezultati ove studije pokazuju da čak i pri 0 stepeni NH4+-Brzina uklanjanja N premašila je 75%, što ukazuje na dobre performanse nitrifikacije ovog procesa na niskim temperaturama. To je zato što IFAS sistem u A2O-MBBR dijelu ove studije ima dugu starost biofilma mulja do oko 1 mjesec, što čini stopu nitrifikacije u biohemijskom rezervoaru daleko manje pod utjecajem temperature nego tradicionalni procesi aktivnog mulja, značajno poboljšavajući performanse nitrifikacije pri niskim zimskim temperaturama. Istraživanje Wei Xiaohana et al. također ukazuje da je glavni razlog za ne-usklađenost NH4+-N efluent u uslovima niske temperature vode je nedovoljna starost aktivnog mulja, pri čemu je uticaj temperature na aktivnost nitrifikatora sekundaran. Stoga, iako je smanjenje temperature vode u određenoj mjeri utjecalo na aktivnost nitrifikatora, dovoljna starost mulja u ovom procesu osigurala je NH4+-N uklanjanje na niskim temperaturama. Tokom testnog perioda, prosječni efluent NH4+-Koncentracija N je bila 3,50 mg/L, a kombinovani proces je pokazao dobre i stabilne performanse nitrifikacije.
2.2.3 Performanse uklanjanja fosfora
Kao što je prikazano uSlika 3, brzina uklanjanja TP je malo varirala s promjenama temperature vode, ostajući stabilna iznad 94%. U kombinaciji saSlika 6, koncentracija ulaznog TP kretala se u rasponu od 3,03~4,14 mg/L, a koncentracija TP u efluentu bila je u rasponu od 0,14~0,28 mg/L, ispunjavajući standard A razreda DB 34/3527-2019. Ovaj proces se oslanja na kombinovano djelovanje biološkog uklanjanja fosfora (pomoću PAO) i kemijskog uklanjanja fosfora (pomoću PAC-a). Kada se temperatura vode smanji, aktivnost PAO se inhibira, što utiče na biološko uklanjanje fosfora. Međutim, ovaj proces nadopunjuje hemijsko uklanjanje fosfora doziranjem 3,7 g/d PAC-a, održavajući stabilnu brzinu uklanjanja TP i smanjujući utjecaj promjena temperature vode na uklanjanje fosfora u kombiniranom procesu. A2O jedinica je imala najbolje performanse uklanjanja TP. Prosječna koncentracija TP u efluentu anaerobne-anoksične jedinice bila je 2,48 mg/L, sa stopom uklanjanja od 32,61%. Prosječna koncentracija TP u efluentu aerobne jedinice bila je 0,29 mg/L, sa stopom uklanjanja od 59,51%. Ukupna stopa uklanjanja TP za A2O jedinicu bila je 92,12%. Zbunjeni dizajn A2O-MBBR sekcije može u velikoj mjeri ukloniti nitratni azot koji se prenosi u recirkuliranoj miješanoj tečnosti, omogućavajući anaerobnim PAO-ima da temeljnije otpuštaju fosfor u anaerobnom dijelu i potpunije apsorbiraju fosfor u aerobnom dijelu, pojačavajući biforno uklanjanje. Dodatno, hemijsko uklanjanje fosfora doziranjem na jednoj strani aerobnog MBBR rezervoara održalo je stabilnu stopu uklanjanja TP-a, sa kvalitetom efluenta stabilno boljim od standarda razreda A DB 34/3527-2019. Biološko uklanjanje fosfora u sekciji A2O-MBBR uglavnom se događa kada PAO u zaprekanom anaerobnom rezervoaru koriste izvore ugljika za pretvaranje dijela organske tvari i hlapljivih masnih kiselina u polihidroksialkanoate (PHA). Kada otpadna voda teče iz zatvorenog anaerobnog rezervoara u aerobni MBBR rezervoar, PAO tada koriste PHA kao donore elektrona da dovrše apsorpciju fosfora. Međutim, PAO aktivnost lako utiče na učinak biološkog uklanjanja fosfora, a niska temperatura vode ograničava aktivnost PAO. Stoga, da bi se postiglo stabilno uklanjanje fosfora, hemijsko uklanjanje fosfora je uključeno u dizajn procesa. Osim toga, adsorpcija od strane sloja supstrata u močvarnom području podzemnog toka na bazi ugljika i rast potopljenih biljaka u ekološkom ribnjaku također apsorbiraju nešto fosfora.
Ukratko, postavka je radila stabilno tokom perioda testiranja, sa dobrim ukupnim performansama uklanjanja zagađivača. Kombinirani proces A2O-MBBR + CWs postigao je prosječne stope uklanjanja od 68,40%, 89,45%, 73,94% i 94,04% za TN, NH4+-N, COD i TP, redom. Prosječne koncentracije efluenta bile su 11,69 mg/L, 3,50 mg/L, 26,9 mg/L i 0,22 mg/L, respektivno, a sve su ispunjavale standard A razreda DB 34/3527-2019. Istraživanje Wu Qiong et al. ukazuje da je A2O-MBBR kompozitni proces aktivnog mulja i biofilma, koji se odlikuje velikom količinom mikroba, dugom starošću mulja, velikim zapreminskim opterećenjem, malim volumenom i otiskom, jakom otpornošću na udarna opterećenja, dobrim kvalitetom otpadnih voda i stabilnim radom. Štaviše, učinak denitrifikacije procesa biofilma zimi je bolji od procesa aktivnog mulja, što ga čini pogodnijim za tretman niskotemperaturnih otpadnih voda zimi. Ovo je također glavni razlog za dobre performanse uklanjanja zagađivača sekcije A2O-MBBR u ovoj studiji. Kombinovani proces A2O-MBBR + CWs u ovoj studiji dodaje zonu tretmana poliranja CWs na bazi A2O-MBBR procesa, dodatno poboljšavajući ukupne performanse prečišćavanja i operativnu stabilnost procesa. Uklanjanje TN i NH4+-N je bio manje pod utjecajem sezonskih promjena temperature vode, dok na uklanjanje COD-a i TP-a gotovo nije utjecala sezonska temperatura vode. Tokom testnog perioda, pokazao je snažnu otpornost na udarna opterećenja, što ga čini pogodnim za upotrebu u ruralnim područjima sa velikim fluktuacijama u kvalitetu i količini kućne otpadne vode.
2.3 Ekonomska analiza kombinovanog procesa
Troškovi ovog kombinovanog procesa uglavnom uključuju troškove izgradnje i operativne troškove tretmana otpadnih voda. Troškovi izgradnje bili su za postavljanje eksperimentalne postavke, uključujući nabavku kućišta rezervoara, pomoćne električne opreme, medija, potopljenih postrojenja i cijevne armature, u ukupnom iznosu od približno 3.000 CNY. Na osnovu maksimalnog kapaciteta prečišćavanja otpadnih voda tokom eksperimenta od 0,18 m³/d, trošak izgradnje po m³ prečišćene otpadne vode iznosi približno 16.700 CNY. Operativni troškovi uglavnom proizlaze iz operacije postavljanja, uključujući potrošnju energije opreme, troškove kemikalija, troškove zbrinjavanja mulja i troškove rada. Električna oprema uključuje: napojnu pumpu (snaga 2 W, Q=2.8 m³/d), recirkulacijsku pumpu (snaga 2 W, Q=2.8 m³/d), aerator (snaga 5 W, brzina aeracije=5 L/min) i peristaltičku dozirnu pumpu (snaga 2 W). Izračunato na osnovu stvarne maksimalne upotrebne snage: napojna pumpa 0,13 W, recirkulacijska pumpa 0,19 W, aerator 1,25 W, dozirna pumpa 2 W. Ukupna stvarna upotrebna snaga je 0,00357 kW, dnevna potrošnja 0,086 kWh. Potrošnja električne energije po m³ prečišćene otpadne vode iznosi 0,48 kWh. Uz cijenu industrijske električne energije od 0,7 CNY/kWh, cijena električne energije je 0,33 CNY/m³. Cijena PAC kemikalija je oko 2,4 CNY/kg, upotreba 3,7 g/d. PAC potreban po m³ otpadne vode je 20,56 g, cijena 0,05 CNY/m³. Troškovi zbrinjavanja mulja=količina mulja × jedinična zapremina cijena odlaganja mulja. Proizvodnja suvog mulja po toni vode iznosi 0,09 kg. Zasnovano na jediničnoj cijeni transporta i odlaganja mulja za PPOV od 60 CNY/tona, cijena zbrinjavanja mulja po toni vode=0.09 kg × 0,06 CNY/kg=0.054 CNY. Budući da je pilot postavljanje zahtijevalo samo periodične inspekcije nakon rada, troškovi rada su procijenjeni na osnovu stvarnog inženjerskog iskustva. Fabrikom od 10.000 tona dnevno upravljaju 1-2 osobe. Pod pretpostavkom da je plata jedne osobe 3.000 CNY/mjesečno, za 2 osobe, pokazatelj troškova rada je oko 0,02 CNY/toni vode. Detalji o troškovima su prikazani uTabela 4. Ukratko, trošak operativnog tretmana je približno 0,46 CNY/m³. Međutim, kako se kapacitet prečišćavanja otpadnih voda povećava, troškovi izgradnje i rada po toni vode bi se smanjivali. Troškovi izgradnje i rada tokom pilot testa su samo za referencu.
3. Zaključci
Kombinovani proces A2O-MBBR + CWs pokazao je dobre performanse za tretman seoskih kućnih otpadnih voda. Na uklanjanje TP i COD-a uglavnom nisu utjecale promjene temperature vode. Prosječna stopa uklanjanja za TN, NH4+-N, TP, and COD reached 68.4%, 89.45%, 94.02%, and 73.94%, respectively. When water temperature ≤5°C, effluent quality stably met the Grade A standard of DB 34/3527-2019. When water temperature >5 stepeni, kvalitet otpadnih voda mogao bi zadovoljiti standard razreda A GB 18918-2002 "Standard za ispuštanje zagađivača za komunalna postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda". Ovaj proces može efikasno iskoristiti organsku materiju unutar sistema kao izvor ugljenika za poboljšanje denitrifikacije, održavajući uklanjanje preko 50% TN čak i pri temperaturama vode od 0 stepeni.
Optimalni kapacitet prečišćavanja otpadnih voda za kombinovani proces A2O-MBBR + CWs zimi bio je 120 L/d, i 180 L/d u ne-zimskim sezonama. Sezonske promjene temperature vode (postepeno opadanje sa 32 stepena na 0 stepeni) samo su imale određeni uticaj na uklanjanje azota kombinovanim procesom. Stopa uklanjanja TN smanjena je sa 79,19% na 51,38%, a NH4+-Stopa uklanjanja N je smanjena sa 99,52% na 74,77%. Čak i na 0 stepeni, kvalitet otpadnih voda je stabilno zadovoljavao standard razreda A DB 34/3527-2019, a NH4+-Stopa uklanjanja N i dalje je dostigla 74,77%. Ovo ima koristi od IFAS sistema, gdje je starost mulja do 1 mjeseca osigurala nitrifikaciju na niskim temperaturama. Proces je radio stabilno tokom perioda testiranja, pokazujući jaku otpornost na promjene temperature vode.
Prethodni A2O-MBBR proces koristio je dvije vrste suspendiranih nosača biofilma za pričvršćivanje mikroba, formirajući IFAS sistem. Močvarno zemljište sa podzemnim tokom na bazi ugljika- koristilo je više punila medija uključujući mulj biougljevina, krečnjak i zeolit, poboljšavajući performanse filtracije, istovremeno pružajući dovoljnu površinu za pričvršćivanje mikroorganizama, poboljšavajući njegov kapacitet biološkog tretmana. Prethodni A2O-MBBR proces sa IFAS-om ima visoku koncentraciju biomase. Stražnje CWs kompozitno močvarno područje služi kao faza tretmana za poliranje, dalje tretira otpadne vode, čineći cjelokupni sistem otpornijim na udarna opterećenja.
Kombinovani proces A2O-MBBR + CWs pogodan je za prečišćavanje kućnih otpadnih voda u ruralnim područjima sa velikim oscilacijama u kvalitetu i kvantitetu. Radi stabilno i efikasno, sa troškovima tretmana od približno 0,46 CNY/m³. Štaviše, sekcije procesa A2O-MBBR+CWs mogu se fleksibilno prilagoditi prema različitim standardima, scenarijima i svrhama za otpadne vode. Ovaj kombinovani proces može pružiti referencu podataka i osnovu za projekte pročišćavanja ruralnih domaćih otpadnih voda u Kini, ponuditi put iskorištavanja resursa za neaktivnu pustoš u ruralnim područjima i ima širok potencijal tržišne primjene u skladu s nacionalnim trendom (jako naglašavajući poboljšanje kvaliteta ruralnog okoliša.