Eliminació de nitrogen amoníac de l'aigua de riu micro-contaminada i d'aigües residuals combinades mitjançant embalatges MBBR de diferents materials
El Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) combina els avantatges del procés de fangs activats i el procés tradicional de biofilm, convertint-lo en una tecnologia innovadora i revolucionària en el tractament biològic modern d'aigües residuals. Nombrosos estudis anteriors han demostrat que el procés MBBR pot alleujar eficaçment la pressió d'eliminació de nitrogen de les aigües residuals urbanes. Els empaquetaments de bio-portadors del procés MBBR poden transportar el biofilm a tot el reactor, promoure el contacte entre el biofilm, l'oxigen i els substrats de reacció i millorar l'eficiència de les reaccions de degradació. A causa de les seves característiques úniques d'estabilitat i densitat, tenen àmplies perspectives d'aplicació.
Actualment, la majoria d'embalatges bio-MBBR estan fets principalment de materials com ara polietilè (PE), polipropilè (PP), poliuretà (PU) i poliuretà porós (PPC). Entre ells, els empaquetaments MBBR basats en PE-tenen un bon efecte d'eliminació sobre la croma, el CODCr, el nitrogen amoníac, el nitrogen total, el carboni orgànic total i els fenols volàtils de les aigües residuals; Els empaquetaments de PP s'utilitzen principalment en processos MBBR combinats, com ara el procés combinat MBBR-AO i el procés combinat MBBR-MBR; Els embalatges de PU i PPC tenen una alta porositat, cosa que pot proporcionar una àrea d'adhesió més gran per als microorganismes, cosa que permet que els microorganismes creixin de manera ràpida i estable, eliminant així de manera efectiva els contaminants orgànics i diversos nutrients de les aigües residuals. Els embalatges PE i PPC són dos tipus àmpliament utilitzats actualment. Els embalatges de PE s'apliquen més àmpliament amb un millor rendiment, mentre que els embalatges PPC tenen una hidrofilicitat més forta i una superfície específica més gran, que són més favorables per a la fixació de microorganismes. Tots dos tipus d'embalatges tenen els seus propis avantatges i desavantatges, i tots dos tenen una bona resistència mecànica i un baix cost. Tanmateix, hi ha pocs informes sobre els seus efectes sobre l'eliminació de nitrogen d'amoníac de l'aigua de riu micro-contaminada i de les aigües residuals-de pluvials combinades en el procés acoblat MBBR-AO. En aquest article s'explora l'impacte d'afegir diferents tipus d'embalatges bio-MBBR (materials de PE i PPC) al procés acoblat MBBR-AO sobre l'eficiència d'eliminació de nitrogen amoníac de l'aigua de riu micro-contaminada i les aigües residuals-de pluja combinada. Simultàniament, analitza la taxa de formació de biofilm i la vida útil de diferents embalatges portadors de bio-MBBR, amb l'objectiu de millorar els mètodes de selecció específics de diferents embalatges portadors de bio-MBBR en el procés MBBR per al tractament d'aigües residuals.
1. Procés de tractament d'aigües residuals
1. 1 Flux de procés i detalls d'embalatge del bio-transportista
El dispositiu de tractament d'aigües residuals utilitzat en aquest estudi és un -reactor de llit fluiditzat biològic dissenyat per si mateix, que adopta el procés acoblat MBBR-AO. El flux principal del procés es mostra a la figura 1(a), i l'equip específic inclou una reixeta, una bomba d'elevació, embalatges portadors de bio-MBBR, un dipòsit d'eliminació de nitrogen biològic d'alta-eficiència integrat, un dipòsit de sedimentació d'alta-eficiència, un sistema d'aireació, etc. El temps de retenció hidràulica és de 5 hores i el volum efectiu del reactor és d'uns 10 m³.
Els empaquetaments portadors de bio-MBBR al dispositiu de tractament d'aigües residuals són empaquetaments basats en PE- i empaquetaments portadors de gel PPC. Els empaquetaments basats en PE- tenen forma de radiacions anulars amb una mida de Φ25 mm × 10 mm, 19 forats i canals pentagonals, amb una superfície específica d'aproximadament 500 m²/m³ [Figura 1(b)]; els embalatges portadors de gel PPC són cúbics amb una mida de Φ10 mm × 10 mm × 10 mm i una superfície específica d'uns 5.000 m²/m³ [Figura 1 (c)].
1.2 Qualitat de les aigües residuals
En aquest estudi, el dispositiu de tractament d'aigües residuals es va utilitzar per tractar dos tipus de masses d'aigua: aigües de riu micro-contaminades i aigües pluvials combinades-. L'aigua del riu micro-contaminada era d'un riu urbà d'una regió de Zhejiang amb baixos nivells de contaminació, i la seva concentració de nitrogen amoníac era relativament baixa, amb una concentració mitjana en massa de 5 mg/L. Les aigües residuals-de pluja combinades van ser la font d'influència de dues estacions de bombeig d'aigües residuals (estació de bombeig 1 i estació de bombeig 2) d'una planta de tractament d'aigües residuals a Zhejiang, amb una concentració de nitrogen d'amoníac relativament alta que oscil·lava entre 3 i 20 mg/L. Això es deu al fet que alguns òxids de nitrogen de l'aire reaccionen amb l'aigua de pluja per formar àcid nítric o nitrats durant el període de pluja, cosa que afavoreix la reproducció de bacteris oxidants-amoníacs, donant lloc a un contingut de nitrogen amoníac relativament elevat a les aigües residuals. Mentrestant, el valor del pH d'ambdues masses d'aigua es va mantenir entre 7 i 9.
1.3 Paràmetres de funcionament del dispositiu de tractament d'aigües residuals
1.2.1 Procés de formació inicial del biofilm
El sistema de tractament d'aigües residuals es va iniciar afegint embalatges en lots per a la formació de biofilm. Segons l'efecte de fluidització real dels empaquetaments al reactor, es va determinar que la fracció de volum final dels empaquetaments afegits era del 20%. Durant el procés d'inici-, els fangs en suspensió del sistema no es van retornar i la relació de retorn de fangs durant el tractament d'aigües residuals va ser d'1:8.
1.2.2 Control dels paràmetres de funcionament del dispositiu
El dispositiu de tractament d'aigües residuals funcionava a temperatura ambient (20 graus). L'equip d'aireació de la part inferior del dispositiu es va utilitzar per controlar la velocitat d'aireació durant el tractament d'aigües residuals. Mentrestant, el cabal d'afluent del dispositiu es va controlar a 2 m³/h i altres paràmetres durant el tractament d'aigües residuals es van mantenir bàsicament consistents. Les aigües pluvials combinades-de l'estació de bombeig 1 i l'estació de bombeig 2, així com l'aigua del riu micro-contaminada, es van seleccionar com a mostres d'aigua d'afluència.
2. Resultats i discussió
2.1 Taxa de formació de biofilm d'embalatges MBBR amb diferents materials
Durant la-fase d'inici del dispositiu de tractament d'aigües residuals, la qualitat de l'aigua afluent va ser estable. Després d'afegir els envasos per lots, els embalatges van patir una formació i maduració normals de biofilm.
En les mateixes condicions de funcionament, la taxa de formació de biofilm dels embalatges de bio-portadors amb diferents materials va variar significativament a causa de les seves característiques inherents. La taxa de formació de biofilm dels envasos basats en PE-era relativament lenta, i va requerir l'addició de productes químics com la glucosa per al cultiu d'aireació tancada. En observar el funcionament dels empaquetaments de PE i PPC al procés acoblat MBBR-AO, es va trobar que uns 5 dies després de l'addició d'embalatges de PE, va aparèixer un prim biofilm-marró groguenc a la superfície dels portadors. Després d'una operació contínua durant aproximadament 1 setmana, va aparèixer un gran nombre de paramècies, epistylis, rotífers i una petita quantitat de vorticel·la a la superfície del portador, cosa que indica que el biofilm era bàsicament madur i que l'inici del sistema-es va completar en aquest moment. En canvi, la taxa de formació de biofilm dels embalatges PPC va ser més ràpida i el biofilm va ser bàsicament madur en uns 3 dies, mentre que el fang es podia adsorbir a l'interior dels embalatges. La formació de biofilm ajuda a millorar l'activitat dels bacteris-oxidants d'amoníac. En comparació amb els embalatges de PE, la gran superfície específica dels embalatges PPC és més propici per a la formació de biofilm i la immobilització microbiana. Per als embalatges de PE del mateix material que tracten diferents tipus d'aigües residuals, l'efecte de formació de biofilm dels embalatges també va mostrar diferències significatives. Es pot veure a la figura 2 (a) que hi havia un biofilm prim marró clar a la superfície dels embalatges de PE a l'aigua del riu micro-contaminada. Tanmateix, la figura 2 (b) mostra que la capa de biofilm a la superfície dels embalatges de PE a les aigües residuals combinades d'aigües pluvials-es va fragmentar, cosa que indica que l'efecte de formació de biofilms dels embalatges de PE a l'aigua del riu micro-contaminada era significativament millor que el de les aigües pluvials combinades-. Es pot veure a la figura 2 (c) i la figura 2 (d) que la diferència en l'efecte de formació de biofilm dels empaquetaments de PPC a l'aigua micro-contaminada del riu i a les aigües pluvials- combinades no va ser significativa.
2. 2 Capacitat d'eliminació de nitrogen d'amoníac d'embalatges de bio-portadors amb diferents materials
El contingut de nitrogen d'amoníac és un indicador clau per avaluar l'efecte real del tractament de les aigües residuals de les estacions de bombeig. Per tant, la capacitat d'eliminació de nitrogen d'amoníac té un significat pràctic important per a la selecció de tipus d'embalatge de transportador bio-en el procés acoblat MBBR-AO.
2. 3 Efecte de l'eliminació del nitrogen amoníac dels embalatges de PE i PPC sobre l'aigua del riu micro-contaminada durant el funcionament a curt-termen del procés
Com es mostra a la figura 3, les concentracions mitjanes de nitrogen d'amoníac influents del procés acoblat MBBR-AO amb embalatges de PE i PPC van ser de 3,69 mg/L i 3,39 mg/L, respectivament. Mentrestant, la concentració real de nitrogen d'amoníac influït va fluctuar significativament, causada per la pluja. En el procés amb empaquetaments de PE, la quantitat mitjana d'eliminació de nitrogen amoníac i la taxa mitjana d'eliminació de l'aigua del riu micro-contaminada van ser de 3,12 mg/L i 84,55%, respectivament, que van ser superiors a les del procés amb empaquetaments PPC (2,56 mg/L i 75,52%). Això indica que afegir empaquetaments de PE al procés acoblat MBBR-AO és més propici per a l'eliminació del nitrogen amoníac de l'aigua micro-contaminada del riu a curt termini (en un termini de 12 dies).
2.4 Efecte de l'eliminació del nitrogen amoníac dels embalatges de PE i PPC sobre les aigües residuals-d'aigües pluvials combinades durant el funcionament a curt-termen del procés
Tal com es mostra a la figura 4, durant l'operació a curt termini (18-dies) del procés MBBR-AO acoblat amb embalatges de PE, les concentracions mitjanes de nitrogen d'amoníac influents de les aigües pluvials combinades-de les aigües pluvials de l'estació de bombeig 1 [Figura 4(a)] i de l'estació de bombeig eren mgL47/2. 9,35 mg/L, respectivament. Quan es van afegir embalatges de PE en el tractament a curt termini (18-dies) de les aigües pluvials combinades-de l'estació de bombeig 1 i l'estació de bombeig 2 mitjançant el procés acoblat MBBR-AO, la concentració de nitrogen amoníac a l'efluent va disminuir significativament. Les quantitats mitjanes d'eliminació de nitrogen d'amoníac van ser de 6,93 mg/L i 7,9 mg/L, amb taxes d'eliminació mitjanes del 95,71% i del 84,49%, respectivament. Durant el tractament a curt-dia (18-dies) de les aigües residuals-de pluvials combinades de l'estació de bombeig 1, la taxa d'eliminació de nitrogen d'amoníac es va mantenir per sobre del 90% i va assolir gairebé el 100% el 9è dia. Les aigües residuals tractades poden ser més favorables al creixement de microorganismes connectats, promovent així l'eliminació del nitrogen amoníac. Mentrestant, durant el tractament a curt termini (18 dies) de les aigües pluvials i les aigües residuals combinades de l'estació de bombeig 2, la taxa d'eliminació de nitrogen amoníac es va mantenir majoritàriament al voltant del 90%, cosa que indica que l'addició d'empaquetaments de PE en el procés acoblat MBBR-AO té un fort efecte d'eliminació sobre el nitrogen amoníac a curt termini (18 dies combinats).
Tal com es mostra a la figura 5, en el procés acoblat MBBR-AO amb embalatges PPC, les concentracions en massa de nitrogen amoníac influït de les aigües pluvials combinades-de l'estació de bombeig 1 [figura 5 (a)] i l'estació de bombeig 2 [figura 5 (b)] oscil·laven entre 3 i 20 mg/2 mg/l, respectivament, amb fluctuacions grans. Això pot ser degut a les pluges que fan que els òxids de nitrogen de l'aire entrin al sistema de clavegueram, donant lloc a fluctuacions significatives en la concentració de nitrogen amoníac influït. Les concentracions massiques de nitrogen d'amoníac influents mitjanes de les aigües pluvials combinades-de l'estació de bombeig 1 i de l'estació de bombeig 2 van ser de 14,76 mg/L i 13,26 mg/L, respectivament. Després d'un tractament a curt termini (24 dies) pel procés MBBR-AO acoblat amb empaquetaments PPC, la concentració de nitrogen amoníac a l'efluent va disminuir significativament, amb concentracions massives mitjanes de només 5,32 mg/L i 6,42 mg/L. Les quantitats mitjanes d'eliminació de nitrogen d'amoníac van ser de 9,44 mg/L i 6,84 mg/L, i les taxes d'eliminació mitjanes van ser del 63,96% i del 51,58%, respectivament. Això indica que els empaquetaments PPC tenen un cert efecte sobre l'eliminació del nitrogen amoníac de les aigües residuals-de pluja combinada. L'elevada concentració de nitrogen amoníac a les aigües residuals-de pluja combinada pot ser deguda a la introducció d'altres components complexos a les aigües residuals, inhibint així la degradació del nitrogen d'amoníac pels empaquetaments de PPC. En comparació amb els embalatges de PE, els embalatges PPC tenen porus més petits i una porositat més alta. Les impureses i les partícules en suspensió a les aigües pluvials combinades-poden bloquejar els porus dels empaquetaments de PPC, provocant l'aglomeració dins dels empaquetaments i reduint així l'eficiència d'eliminació del nitrogen d'amoníac. Mentrestant, estudis anteriors han trobat que els biofilms de menys d'1 mm poden causar bloqueig de porus dins dels empaquetaments. Tot i que els biofilms poden accelerar el bloqueig intern dels embalatges, no són el factor principal.
Durant l'operació a curt termini del procés acoblat MBBR-AO, les taxes mitjanes d'eliminació de nitrogen d'amoníac dels empaquetaments de PE per a les aigües pluvials combinades-(95,71% per a l'estació de bombeig 1 i 84,49% per a l'estació de bombeig 2) van ser lleugerament superiors a les de l'aigua micropoluada. En canvi, les taxes mitjanes d'eliminació de nitrogen d'amoníac dels empaquetaments de PPC per a les aigües pluvials combinades-(63,96% per a l'estació de bombeig 1 i 51,58% per a l'estació de bombeig 2) van ser lleugerament inferiors a les de l'aigua de riu micro-contaminada (75,52%). Per als empaquetaments de PE, en comparació amb l'aigua de riu micro-contaminada, la baixa concentració d'oxigen dissolt a les aigües pluvials combinades-favoreix més la nitrificació i la desnitrificació simultànies de microorganismes en empaquetaments de PE per a l'eliminació de nitrogen. Durant la formació de biofilm dels empaquetaments de PPC, els fangs s'adsorbeixen a l'interior dels empaquetaments, donant lloc a un augment de la concentració d'oxigen dissolt, que no condueix a la nitrificació i desnitrificació simultània dels microorganismes interns, donant lloc a una disminució de les taxes d'eliminació de nitrogen d'amoníac tant a l'aigua de pluja combinada com a l'aigua de riu micropoludada.
En resum, afegir empaquetaments de PE és més propici per a la degradació del nitrogen d'amoníac a les aigües pluvials combinades-per mitjà del procés acoblat MBBR-AO a curt termini.
Efecte de l'eliminació del nitrogen amoníac dels embalatges de PE i PPC sobre les aigües residuals-d'aigües pluvials combinades durant el funcionament-a llarg termini del procés
Tal com es mostra a la figura 6, durant l'operació a llarg termini (96-dies) del procés MBBR-AO acoblat amb embalatges de PE, les concentracions en massa de nitrogen d'amoníac influents de les aigües pluvials combinades-de l'estació de bombeig 1 [Figura 6 (a)] i l'estació de bombeig oscil·len entre 6 (2) i 2 [figura 2] mg/L i de 3 a 35 mg/L, respectivament, amb grans fluctuacions. Les concentracions en massa de nitrogen d'amoníac influents mitjanes van ser de 10,20 mg/L i 8,93 mg/L, respectivament. Després del tractament mitjançant el procés acoblat MBBR-AO, les concentracions mitjanes de nitrogen d'amoníac a l'efluent van disminuir fins a 2,93 mg/L i 2,67 mg/L, amb quantitats d'eliminació mitjanes de 7,27 mg/L i 6,26 mg/L, i taxes d'eliminació mitjanes del 71,27% i 70,1%, respectivament. No hi va haver cap diferència significativa en la degradació del nitrogen amoníac a les aigües residuals-de l'aigua pluvial combinada de l'estació de bombeig 1 i l'estació de bombeig 2 afegint embalatges de PE durant el funcionament a llarg termini (96{{33}dies) del procés acoblat MBBR-AO, i la taxa d'eliminació de nitrogen d'amoníac es va mantenir al voltant del 74 %. Això indica que l'addició d'empaquetaments de PE al procés acoblat MBBR-AO té un bon efecte d'eliminació del nitrogen amoníac de les aigües residuals-de pluvials combinades durant el funcionament a llarg-dia (96-dies). Quan el procés acoblat MBBR-AO amb embalatges de PE va funcionar en l'etapa posterior (84-96 dies), independentment de si l'afluent es combinava amb aigües pluvials i aigües residuals de l'estació de bombeig 1 o de l'estació de bombeig 2, la concentració de nitrogen amoníac efluent va augmentar significativament i la taxa d'eliminació de nitrogen d'amoníac va ser significativament inferior a l'etapa inicial del procés d'eliminació del 90%. Això es deu al fet que després d'un ús a llarg termini, els propis embalatges de PE es fan malbé i envelleixen, i la rugositat de la superfície dels embalatges canvia, provocant una disminució de la força de servei i la capacitat d'eliminació de nitrogen d'amoníac.
La figura 7 mostra els canvis en la concentració de nitrogen d'amoníac influent, la concentració de nitrogen d'amoníac efluent, la quantitat d'eliminació de nitrogen d'amoníac i la taxa d'eliminació de nitrogen d'amoníac durant el funcionament a llarg termini-del procés acoblat MBBR-AO amb empaquetaments PPC. Les concentracions en massa de nitrogen d'amoníac de les aigües pluvials combinades-de l'estació de bombeig 1 [Figura 7 (a)] i de l'estació de bombeig 2 [Figura 7 (b)] van oscil·lar entre 3 i 35 mg/L, amb concentracions mitjanes de nitrogen d'amoníac de 10,96 mg/L i 8,10 mg/L, respectivament. Després del tractament mitjançant el procés acoblat MBBR-AO, les concentracions mitjanes de nitrogen d'amoníac a l'efluent van disminuir fins a 3,96 mg/L i 3,39 mg/L, amb quantitats mitjanes d'eliminació de 7,00 mg/L i 4,71 mg/L, i taxes d'eliminació mitjanes del 63,87,1% i 5,8,1%, respectivament. Durant l'operació a llarg termini del procés d'acoblament MBBR-AO, l'addició d'empaquetaments PPC va tenir un efecte de degradació lleugerament millor sobre el nitrogen amoníac a les aigües pluvials combinades-de l'estació de bombeig 1 que les de l'estació de bombeig 2, però la diferència no va ser significativa. Això indica que afegir empaquetaments de PPC al procés acoblat MBBR-AO té un cert efecte d'eliminació del nitrogen d'amoníac de les aigües residuals-de pluja combinades durant el funcionament-a llarg termini. La taxa d'eliminació de nitrogen d'amoníac del procés acoblat MBBR-AO amb empaquetaments PPC durant el funcionament a-a llarg termini va ser més alta que durant el funcionament a-a curt termini. Això es deu al fet que durant el funcionament-a llarg termini, els fangs s'acumulen dins dels empaquetaments de PPC, formant un entorn anaeròbic o anòxic local, que proporciona un entorn de vida adequat per a les activitats vitals dels bacteris nitrificants. Els bacteris nitrificants es reprodueixen ràpidament i la velocitat de reacció local s'accelera
En resum, afegir empaquetaments de PE és més propici per a la degradació del nitrogen d'amoníac a les aigües pluvials combinades-per mitjà del procés acoblat MBBR-AO durant el funcionament-a llarg termini. Mentrestant, els empaquetaments de PE s'han de substituir o netejar de manera oportuna després d'un ús-a llarg termini per garantir que el nitrogen amoníac de les aigües residuals encara es pugui eliminar de manera eficaç durant el-operació a llarg termini del procés acoblat MBBR-AO.
Vida útil dels bio-embalatges portadors amb diferents materials
En comparació amb els empaquetaments PPC, els empaquetaments de PE tenen una vida útil més llarga durant el tractament a llarg termini de l'aigua de riu micro-contaminada i les aigües pluvials combinades- mitjançant el procés acoblat MBBR-AO. Com es mostra a la figura 8 (a), els embalatges PPC experimenten escòries i danys durant el procés de tractament d'aigües residuals pel procés acoblat MBBR-AO. Mentrestant, l'envelliment i l'aglomeració es produeixen a l'interior dels embalatges després d'un funcionament a llarg termini -[Figures 8(b) i 8(c)]. Els empaquetaments PPC tenen una mala permeabilitat als fangs. Tot i que els empaquetaments de PPC-esponges tenen una gran superfície específica, els seus porus interns s'adsorbeixen fàcilment pel fang i són difícils de sortir. L'acumulació-de fangs a llarg termini dins dels empaquetaments tendeix a formar un entorn anaeròbic o anòxic, la qual cosa fa que el color dels empaquetaments canviï gradualment de marró a negre. Això provoca problemes com ara l'escòria, la ruptura, l'envelliment i l'aglomeració dels empaquetaments de PPC durant el funcionament a llarg termini-, escurçant així la seva vida útil. Aquest també és el principal factor del mal efecte dels empaquetaments de PPC a l'hora d'eliminar el nitrogen d'amoníac de les aigües pluvials combinades-[Figures 5(a) i 5(b)]. En canvi, els embalatges de PE bàsicament no van tenir els problemes anteriors durant el tractament a llarg termini-d'aigües residuals mitjançant el procés acoblat MBBR-AO, amb una millor durabilitat i una vida útil més llarga. Una configuració de transport raonable pot amortir eficaçment l'impacte del flux d'aigua sobre el biofilm, permetent que el biofilm creixi de manera estable sense danyar-se.
Conclusions
En aquest estudi, es van afegir embalatges de transport de bio-PE i empaquetaments PPC durant el procés de tractament d'aigües residuals del procés acoblat MBBR-AO. Es van investigar els efectes dels materials d'embalatge sobre la degradació del nitrogen d'amoníac a l'aigua de riu micro-contaminada i les aigües pluvials combinades-, així com la taxa de formació de biofilm microbià i la vida útil dels embalatges amb diferents materials. En comparació amb els empaquetaments PPC, els empaquetaments PE tenen una taxa de formació de biofilm més lenta però una vida útil més llarga. Mentrestant, tant si s'utilitzen en el tractament a llarg-o a curt-termen de l'aigua de riu micro-contaminada i les aigües pluvials-combinades mitjançant el procés acoblat MBBR-AO, els embalatges de PE presenten millors efectes de degradació del nitrogen amoníac. Els resultats de la investigació proporcionen suport tècnic per a la selecció de materials d'embalatge en els processos de tractament d'aigües residuals.