Poboljšana mikrobna obrada otpadnih voda češnjaka korištenjem MBBR + A/O procesa
Pregled
Otpadne vode češnjakaprvenstveno potječe od procesa rezanja i ispiranja tijekom obrade češnjaka. Karakterizira gavisoke koncentracije organske tvari, sznačajne razine dušika i fosfora, te sadrži značajne količine alicina. Alicin (dialil tiosulfinat) je hlapljiva tekućina odgovorna za oštar miris češnjaka i kemijski je nestabilan i vrlo reaktivan. Alicin može inhibirati rast raznih mikroorganizama. Ispuštanje visoko{3}}koncentriranih otpadnih voda od češnjaka bez pročišćavanja uzrokuje ozbiljne utjecaje na okoliš. Neki su istraživači koristili tehnike kao što su membranska filtracija, Fenton oksidacija i mikro-elektroliza, ali te metode nisu bile učinkovite za pročišćavanje otpadnih voda od češnjaka, a upotreba velikih doza kemikalija povećava naknadne troškove pročišćavanja. Mnogi su znanstvenici predložili metode biološke obrade pomoću anaerobnih-aerobnih kombiniranih procesa. Međutim, zbog antibakterijskih svojstava alicina, mikroorganizme je teško uzgajati, a učinkovitost liječenja nije idealna. Stoga je fokus biološkog tretmana nakultivirati i aklimatizirati mikrobne sojeve sposobne prilagoditi se otpadnim vodama češnjaka i poboljšati njihovu biorazgradnju.
Ova studija uključivala je uzgoj i probirbakterijski sojevi učinkoviti u degradaciji otpadnih voda češnjaka, koji su zatim uvedeni u aReaktor s pokretnim slojem biofilma (MBBR). Upotrebom inokuliranog mulja i metode stvaranja biofilma -koje povećava brzinu protoka, biofilmovi su uspostavljeni kako bi se poboljšalo uklanjanje dušika i fosfora iz otpadne vode. Zatim je uslijedio daljnji A/O (Anoxic/Oxic) biokemijski tretman. Prema standardu GB18918-2002, razine KPK u otpadnoj vodi i amonijačnog dušika (NH3-N) mogu zadovoljiti sekundarni standard (KPK: 100 mg/L, NH3-N: 25-30 mg/L). Ovaj proces učinkovito smanjuje organski sadržaj u otpadnoj vodi, smanjujući poteškoće u sljedećim fazama obrade.
1. Eksperimentalni odjel
1.1 Dizajn toka procesa
Ukupni tijek procesa za pročišćavanje otpadnih voda od češnjaka prikazan je uSlika 1, pri čemu je ključna komponentabiorazgradnja u sustavu MBBR + A/O. Tri pretražena i izolirana soja učinkovita u degradaciji otpadnih voda od češnjaka – Alcaligenes sp., Acinetobacter sp. i Achromobacter sp. – pomiješani su s aktivnim muljem i uvedeni u MBBR jedinicu kako bi se olakšalo njeno brzo pokretanje-.
1.2 MBBR + A/O proces obrade
Nakon prolaska kroz gruba i fina sita za uklanjanje suspendiranih krutih tvari, otpadna voda od češnjaka pumpa se izravno u MBBR. Utjecajna kvaliteta prikazana je uTablica 1. Efluent iz MBBR-a teče izravno u A/O sustav. Zbog niskog sadržaja organskih tvari u efluentu MBBR-a, otpadna voda od sirovog češnjaka se na odgovarajući način dodaje u oksični (O) spremnik kako bi se dopunio izvor ugljika za A/O proces. Kako bi se ispitala otpornost sustava na udarce, stopa organskog opterećenja MBBR-a postupno je povećavana tijekom kontinuiranog rada, a kvaliteta efluenta je praćena.
1.3 Parametri procesa
1.3.1 Otopljeni kisik (DO)
Pretjerano visok DO unutar biofilma može spriječiti denitrifikaciju, uzrokujući da MBBR izgubi svoju sposobnost istodobne nitrifikacije i denitrifikacije. Pretjerano nizak DO može dovesti do proliferacije filamentoznih bakterija, utječući na kvalitetu otpadne vode i inhibirajući proces nitrifikacije.
1.3.2 Hidrauličko vrijeme zadržavanja (HRT)
Pretjerano kratko HRT uzrokuje intenzivne reakcijske uvjete, gdje se otpadna voda koja sadrži većinu organske tvari ispušta prije nego što se potpuno apsorbira. Kontinuirani dotok održava mikroorganizme u stalnom stanju biorazgradnje, smanjujući učinkovitost i povećavajući potrošnju energije. Pretjerano dugo HNL dovodi do iscrpljivanja hranjivih tvari; bez hranjivih tvari, mikroorganizmi smanjuju svoju aktivnost i metaboličke zahtjeve kako bi samo održali preživljavanje.
1.3.3 Omjer ugljika-na-dušika (C/N)
Nizak omjer C/N može dovesti do katalize pretvorbe amonijaka u druge tvari, utječući na uklanjanje dušika iz amonijaka. Također lako uzrokuje filamentno skupljanje, kontinuirani rast koji utječe na flokulaciju, što dovodi do skupljanja mulja i plutajućeg mulja. Visoki omjer C/N nepovoljan je za biorazgradnju i rast mikroba, povećavajući organsko opterećenje mikroorganizama.
1.4 MBBR Biofilm-pokretanje
Početak-biofilma: Korištena je metoda povećanja -brzine protoka inokuliranog mulja. MBR-obogaćeni aktivni mulj inokuliran je u reaktor, s početnom koncentracijom suspendiranih krutih tvari u miješanoj tekućini (MLSS) od približno 5,82 g/L. Započelo je prozračivanje i u reaktor su dodani polietilenski nosači s aomjer punjenja oko 60%. TheUČINITIu reaktoru je kontroliranoiznad 4,0 mg/L. Brzina protoka je povećavana postupno u koracima od 20 L/h: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 L/h, pri čemu se svaka brzina protoka održavala 1 dan. Tijekom ove faze nije izgubljen mulj. Svjetložuti biofilm formirao se na površini nosača gdje su se mikroorganizmi pričvrstili i rasli. Nakon uspješnog pokretanja-biofilma, stabilan rad se nastavio, održavajući aVrijeme zadržavanja mulja (SRT) od 30 dana. Tijekom stabilnog rada, stopa organskog opterećenja MBBR-a je prilagođena kako bi se promatrao njegov utjecaj na KPK, uklanjanje dušika i fosfora.
2. Rezultati i rasprava
2.1 Analiza kvalitete otpadnih voda MBBR-a tijekom pokretanja-biofilma
Intenzitet prozračivanja u MBBR-u podešen je za kontrolu koncentracije DO. Kad je DO bio ispod 4,0 mg/L, intenzitet prozračivanja nije bio dovoljan da podrži ravnomjerno, visoko{2}}protočno turbulentno kretanje nosača, sprječavajući odgovarajuće miješanje i otežavajući stvaranje biofilma na površinama nosača. Kad je DO bio između 4,0–6,0 mg/L, nosači su se temeljito pomiješali s aktivnim muljem i otpadnom vodom. Uočena je promjena boje iz bijele u žućkasto-smeđu na nosačima, što ukazuje na uspješno pričvršćivanje mikroba i rast pod ovim intenzitetom prozračivanja, kao što je prikazano naSlika 2.
Krivulja varijacije ulazne i efluentne COD tijekom-faze pokretanja prikazana je uSlika 3(a). Početno smanjenje učinkovitosti liječenja bilo je zbog vrlo niske količine vezanih mikroorganizama na nosačima; samo razgradnja pomoću mikroorganizama u aktivnom mulju bila je nedostatna za uklanjanje velike količine organskih tvari. Kako je početak-napredovao, količina pričvršćenih mikroorganizama na nosačima se povećavala, postupno stvarajući biofilm. Koncentracija KPK u otpadnoj vodi postupno se stabilizirala, a učinkovitost uklanjanja KPK stabilizirala se iznad 90%.
Krivulja varijacije MBBR ulaznog i efluentnog NH3-N prikazana je uSlika 3(b). Nitrifikacija pomoću aerobnih bakterija u aktivnom mulju učinkovito je uklonila dušik iz amonijaka. Počevši od 7. dana, ulazna koncentracija NH3-N postupno raste. Do 23. dana, iako je dotok NH3-N i dalje rastao, stopa uklanjanja također je porasla. To je bilo zato što nitrificirajuće bakterije u početku sporo rastu; s vremenom se njihova populacija povećala, biofilm je sazrio, a stopa uklanjanja NH3-N postupno se povećala i stabilizirala.
Krivulja varijacije MBBR ulaznog i efluentnog TN prikazana je uSlika 3(c). Za razliku od uklanjanja dušika iz amonijaka, učinkovitost uklanjanja TN se u početku smanjila. To je bilo zato što je okruženje reaktora imalo dovoljno izvora kisika i ugljika, ograničavajući rast denitrifikacijskih bakterija. Međutim, kako se biofilm formirao, učinkovitost uklanjanja TN počela se poboljšavati. Do 20. dana, iako se koncentracija TN u efluentu povećala, TN u efluentu i stopa uklanjanja stabilizirali su se u rasponu između 50%–60%.
Krivulja varijacije MBBR ulaznog i efluentnog TP prikazana je uSlika 3(d). Od početka-do stabilnog rada, stopa uklanjanja TP-a ostala je stabilna. Iako je ulazna koncentracija TP u početku bila visoka, a kasnije se smanjila, učinkovitost uklanjanja nije pokazala značajnu promjenu, što ukazuje na sposobnost sustava za uklanjanje fosfora. Stopa uklanjanja TP-a u sustavu održavana je između 80%–90%.
Ukratko,održavanje MBBR sustava DO između 4-6 mg/L, zreli biofilm razvijen nakon 20 dana kontinuiranog hranjenja. U usporedbi s tradicionalnim procesima s aktivnim muljem, MBBR sustav nudi jaku otpornost na udarce i visoku učinkovitost obrade, učinkovito smanjujući poteškoće naknadnih faza obrade otpadnih voda od prerade češnjaka.
2.2 Analiza kvalitete otpadnih voda tijekom stabilnog rada
Nakon faze pokretanja biofilma-biofilm je sazrio. Kako bi se ispitala otpornost MBBR sustava na udarce, stopa organskog opterećenja kontinuirano se povećavala tijekom stabilnog rada.
Krivulja varijacije MBBR ulazne i efluentne COD tijekom stabilnog rada prikazana je uSlika 4(a). Od 1. do 5. dana, uz konstantan dotok, učinkovitost uklanjanja KPK ostala je iznad 95%, a koncentracija KPK u efluentu dosegla je oko 100 mg/L. Od 5. do 20. dana, stopa dotoka je povećana, postupno povećavajući organsko opterećenje od 20 kgCOD/m³·d na 30 kgCOD/m³·d. Nije primijećena značajna promjena u učinkovitosti uklanjanja, a KPK u efluentu je ostao između 80-100 mg/L, pokazujući jaku otpornost na udarce. Nakon 20. dana, brzina dotoka je dodatno povećana, kontinuirano povećavajući organsko opterećenje u reaktoru sa 30 kgCOD/m³·d na 37 kgCOD/m³·d, održavano 5 dana. Kapacitet uklanjanja KPK MBBR-a ostao je iznad 95%.
Slike 4(b) i (c)pokazuju krivulje varijacije za NH3-N i TN, redom, tijekom stabilnog rada. Od 1. do 5. dana, uz konstantan dotok, biofilm MBBR pokazao je istovremenu nitrifikaciju i denitrifikaciju. Aerobne nitrifikacijske bakterije pričvršćene na vanjski sloj biofilma, potpuno pomiješane s otpadnom vodom pod prozračivanjem, konzumirale su značajne izvore dušika kroz nitrifikaciju. Denitrifikacijske bakterije u unutarnjem anoksičnom sloju učinkovito su uklonile nitratni dušik denitrifikacijom. Od 5. do 20. dana, kako se brzina dotoka povećavala, učinkovitost uklanjanja NH3-N i TN u početku se značajno smanjila. Nakon otprilike 7 dana neprekidnog rada, sustav se postupno prilagodio. Iako se učinkovitost uklanjanja za NH3-N i TN tada povećala, ostala je niža nego tijekom razdoblja niskog-protoka. Pod stalnim dotokom, uklanjanje NH3-N dosegnulo je preko 90%, s efluentom NH3-N između 10-15 mg/L, a uklanjanje TN u osnovi se održavalo iznad 80%, s efluentom TN oko 30 mg/L. Nakon povećanja dotoka i sustav je postigao novu ravnotežu pod kontinuiranim utjecajem, uklanjanje NH3-N stabiliziralo se oko 80%, s efluentom NH3-N između 50-70 mg/L, a uklanjanjem TN oko 60%, s efluentom TN ispod 50 mg/L.
Krivulja varijacije za TP tijekom stabilnog rada prikazana je uSlika 4(d). Koncentracija TP u otpadnoj vodi uglavnom se održavala na oko 10 mg/L. U početku, s konstantnim niskim protokom i niskom ulaznom koncentracijom TP, učinak liječenja bio je ograničen. Kako su se brzina dotoka i koncentracija TP u dotoku povećavali, visoka učinkovitost tretmana postignuta je tijekom faze udara i kasnijeg rada s velikim -opterećenjem, sa stopom uklanjanja TP koja je fluktuirala oko 90%.
Ukratko,pod velikim udarom organskog opterećenja, učinkovitost sustava u uklanjanju KPK ostala je uglavnom nepromijenjena, ali uklanjanje NH3-N i TN značajno se smanjilo. Kada je organsko opterećenje doseglo svoj maksimum od 37 kgCOD/m³·d, učinkovitost uklanjanja NH3-N i TN značajno se smanjila.
2.3 Analiza kvalitete otpadnih voda MBBR + A/O sustava
Nakon faze pokretanja -biofilma i jednog mjeseca stabilnog rada, nizvodno je dodan A/O proces za naprednu obradu efluenta MBBR-a. Primijenjena su gradijentna povećanja brzine dotoka kako bi se povećalo ukupno organsko opterećenje, s ciljem određivanja optimalne brzine dotoka, koja odgovara optimalnom HRT-u.
Krivulja varijacije KPK prikazana je uSlika 5(a). Brzina dotoka se povećavala sekvencijalno: 100, 120, 130, 150, 170 L/h. Od početka do maksimalnog protoka, organsko opterećenje MBBR sustava povećalo se s 20 kgCOD/m³·d na 37 kgCOD/m³·d. Konačni efluent iz kombiniranog sustava ostao je stabilan, s koncentracijom KPK ispod 100 mg/L. Pod dugotrajnim udarom visokog organskog opterećenja, MBBR sustav je dobro funkcionirao, iako je KPK u efluentu pokazao blagi porast kada je protok dosegao 150 L/h. Nakon održavanja brzine protoka od 170 L/h nekoliko dana, primijećen je primjetan trend rasta KPK u efluentu MBBR-a. Međutim, s naknadnim A/O postupkom, konačni kombinirani efluent sustava i dalje se održavao ispod 100 mg/L. Ovo ukazuje da čak i pod visokim organskim opterećenjem od 37 kgCOD/m³·d, kombinirani proces još uvijek ima snažan učinak uklanjanja otpadne vode od prerade češnjaka.
Varijacijske krivulje za NH3-N i TN prikazane su uSlike 5(b) i (c), odnosno. Otpadne vode od prerade češnjaka imaju visoke koncentracije amonijačnog dušika i ukupnog dušika, koji se mogu dodatno povećati tijekom vremena zbog oksidacije. Obično se koncentracija dušika u amonijaku kreće od 300-500 mg/L, a ukupnog dušika od 450-600 mg/L. Pod istovremenom nitrifikacijom i denitrifikacijom u MBBR-u, uklanjanje dušika iz amonijaka bilo je učinkovitije, vjerojatno zato što nitrifikacijske bakterije učinkovitije iskorištavaju otpadnu vodu pod prozračivanjem. Denitrifikacijske bakterije zahtijevaju anoksične uvjete i često ovise o utrošenom organskom ugljiku za denitrifikaciju. Pri povećanju stope dotoka, učinkovitost uklanjanja NH3-N i TN bila je primarno razmatranje. Od 1. do 4. dana, zbog niske brzine protoka i umjerenog NH3-N, stopa uklanjanja NH3-N ostala je iznad 90%, a učinkovitost uklanjanja TN postupno je rasla. Nakon toga je stopa priljeva značajno povećana. Jasno je uočeno da kako se brzina dotoka povećava, koncentracije NH3-N i TN u efluentu u različitim fazama sekvencijalno rastu, s većim stopama dotoka što dovodi do viših koncentracija efluenta. Kako se brzina protoka povećavala, biomasa na nosačima biofilma se povećavala, pojačavajući nitrifikaciju, gdje se dušik iz amonijaka oksidira nitrifikacijskim bakterijama u nitrat i nitrit pod kisikom.
Krivulja varijacije koncentracije TP prikazana je uSlika 5(d). S obzirom na visoke utjecajne koncentracije KPK i TN, teoretski optimalna koncentracija TP za rast mikroba je iznad 100 mg/L. Međutim, ulazna koncentracija TP bila je daleko ispod ovog teorijskog zahtjeva. Stoga je koncentracija TP u efluentu MBBR ostala oko 10 mg/L, a konačna koncentracija TP u efluentu sustava održavana je između 2-3 mg/L.
Izmjerene su karakteristike mulja MBBR sustava i naknadnog A/O sustava prije i poslije rada, kao što je prikazano uTablica 2.
Ukratko,kada je protok povećan na 150 L/h, stope uklanjanja za COD, NH3-N, TN i TP bile su superiornije od onih pri drugim brzinama protoka. HRT pri ovoj brzini protoka bio je 27 sati. Nadalje, koncentracija mulja u MBBR i A/O sustavima značajno se povećala nakon rada.
3. Zaključak
Nakon stvaranja biofilma u MBBR-u, učinkovitost uklanjanja KPK, NH3-N, TN i TP bila je stabilna. Tijekom jednog mjeseca kontinuiranog rada u stabilnim uvjetima, uklanjanje COD doseglo je preko 95%, uklanjanje NH3-N i TN stabilizirano je oko 80%, a uklanjanje TP stabilizirano je oko 90%.
Efluent MBBR-a dalje je pročišćen u A/O sustavu. Kombinirani proces može izdržati organsko opterećenje do 37 kgCOD/m³·d. Optimalan rad za cjelokupni proces bio je ispod HRT-a od 27 sati. Konačni efluent COD stabilizirao se ispod 100 mg/L, NH3-N između 10-20 mg/L, TN ispod 30 mg/L, a TP ispod 10 mg/L. Koncentracija mulja u MBBR sustavu nakon rada iznosila je 8,5 g/L, au A/O sustavu 4,1 g/L, oba značajno viša nego prije rada, što ukazuje na značajan porast mikrobne biomase. Razina KPK i dušika u amonijaku nakon biološke obrade zadovoljila je standard sekundarnog ispuštanja GB18918-2002. Za daljnju obradu, Fentonova napredna tehnologija oksidacije mogla bi se koristiti za dubinsku obradu biološki pročišćene otpadne vode kako bi se postigao standard pražnjenja prve razine.