Uklanjanje dušika iz amonijaka iz mikro-zagađene riječne vode i kombinirane kanalizacije pomoću MBBR ambalaže od različitih materijala
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) kombinira prednosti procesa aktivnog mulja i tradicionalnog procesa biofilma, što ga čini inovativnom i revolucionarnom tehnologijom u modernoj biološkoj obradi otpadnih voda. Brojne prethodne studije pokazale su da MBBR proces može učinkovito ublažiti pritisak uklanjanja dušika iz gradske kanalizacije. Pakiranja bio-nosača u procesu MBBR mogu transportirati biofilm do cijelog reaktora, promovirati kontakt između biofilma, kisika i reakcijskih supstrata te poboljšati učinkovitost reakcija razgradnje. Zbog svoje jedinstvene karakteristike stabilnosti i gustoće, imaju široku primjenu.
Trenutačno je većina MBBR bio{0}}nosećih pakiranja uglavnom izrađena od materijala kao što su polietilen (PE), polipropilen (PP), poliuretan (PU) i porozni poliuretan (PPC). Među njima, MBBR brtve na bazi PE-a imaju dobar učinak uklanjanja kroma, CODCr, amonijačnog dušika, ukupnog dušika, ukupnog organskog ugljika i hlapljivih fenola u otpadnoj vodi; PP brtve se uglavnom koriste u kombiniranim MBBR procesima, kao što su MBBR-AO kombinirani proces i MBBR-MBR kombinirani proces; PU i PPC pakiranja imaju visoku poroznost, što može osigurati veću površinu za pričvršćivanje mikroorganizama, omogućujući mikroorganizmima brz i stabilan rast, čime učinkovito uklanjaju organske zagađivače i razne hranjive tvari u otpadnoj vodi. PE i PPC ambalaža dvije su trenutno široko korištene vrste. PE pakiranja imaju veću primjenu s boljim učinkom, dok PPC pakiranja imaju veću hidrofilnost i veću specifičnu površinu, što pogoduje pričvršćivanju mikroorganizama. Oba tipa pakiranja imaju svoje prednosti i nedostatke, a oba posjeduju dobru mehaničku čvrstoću i nisku cijenu. Međutim, postoji nekoliko izvješća o njihovim učincima uklanjanja dušika iz amonijaka iz mikro-zagađene riječne vode i kombinirane oborinske{10}}kanalizacije u MBBR-AO spojenom procesu. Ovaj rad istražuje utjecaj dodavanja različitih tipova MBBR bio-nosećih pakiranja (PE i PPC materijali) u MBBR-AO spregnutom procesu na učinkovitost uklanjanja amonijačnog dušika iz mikro-zagađene riječne vode i kombinirane oborinske-kanalizacije. Istovremeno, analizira brzinu stvaranja biofilma i radni vijek različitih MBBR bio-nosećih pakiranja, s ciljem poboljšanja specifičnih metoda odabira različitih MBBR bio-nosećih pakiranja u MBBR procesu za pročišćavanje otpadnih voda.
1. Proces obrade otpadnih voda
1. 1 Pojedinosti o pakiranju toka procesa i bio-nosača
Uređaj za pročišćavanje otpadnih voda korišten u ovoj studiji je samo-dizajnirani biološki reaktor s fluidiziranim slojem, koji usvaja MBBR-AO spregnuti proces. Glavni tijek procesa prikazan je na slici 1(a), a specifična oprema uključuje rešetku, pumpu za podizanje, MBBR bio-pakiranje nosača, integrirani visoko-učinkoviti spremnik za biološko uklanjanje dušika, visoko-učinkoviti taložni spremnik, sustav prozračivanja itd. Ulazni protok reaktora je 50 m³/d (približno 2 m³/h), efektivno hidrauličko vrijeme zadržavanja je 5 sati, a efektivni volumen reaktora je oko 10 m³.
MBBR bio-nosaće brtve u uređaju za obradu otpadnih voda su PE-bazirane brtve i PPC gel noseće brtve. Ambalaža na bazi PE-u obliku je prstenastih zračenja veličine Φ25 mm×10 mm, 19 rupa i peterokutnih kanala, sa specifičnom površinom od približno 500 m²/m³ [Slika 1(b)]; PPC gel noseća pakiranja su kubična s veličinom Φ10 mm×10 mm×10 mm i specifičnom površinom od oko 5000 m²/m³ [Slika 1(c)].
1.2 Kvaliteta kanalizacije
U ovoj studiji uređaj za pročišćavanje otpadnih voda korišten je za pročišćavanje dvije vrste vodnih tijela: mikro-zagađene riječne vode i kombinirane oborinske-kanalizacije. Mikro-zagađena riječna voda bila je iz urbane rijeke u regiji Zhejiang s niskim razinama onečišćenja, a koncentracija dušika u amonijaku bila je relativno niska, s prosječnom masenom koncentracijom od 5 mg/L. Kombinirana oborinska{6}}kanalizacija bila je izvor dotoka dviju kanalizacijskih crpnih stanica (Crpna stanica 1 i Pumpna stanica 2) postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda u Zhejiangu, s relativno visokom koncentracijom dušika u amonijaku u rasponu od 3 do 20 mg/L. To je zato što neki dušikovi oksidi u zraku reagiraju s kišnicom i stvaraju dušičnu kiselinu ili nitrate tijekom razdoblja oborina, što je pogodnije za razmnožavanje bakterija koje oksidiraju amonijak-, što rezultira relativno visokim sadržajem amonijačnog dušika u kanalizaciji. U međuvremenu, pH vrijednost oba vodena tijela održavala se između 7 i 9.
1.3 Radni parametri uređaja za pročišćavanje otpadnih voda
1.2.1 Početni proces stvaranja biofilma
Sustav za pročišćavanje otpadnih voda pokrenut je dodavanjem pakiranja u serijama za stvaranje biofilma. Prema stvarnom učinku fluidizacije pakiranja u reaktoru, konačni volumenski udio dodanog pakiranja je određen na 20%. Tijekom-procesa pokretanja, suspendirani mulj u sustav nije vraćen, a omjer povrata mulja tijekom pročišćavanja kanalizacije bio je 1:8.
1.2.2 Kontrola radnih parametara uređaja
Uređaj za pročišćavanje otpadnih voda radio je na sobnoj temperaturi (20 stupnjeva). Oprema za prozračivanje na dnu uređaja korištena je za kontrolu brzine prozračivanja tijekom pročišćavanja otpadnih voda. U međuvremenu, brzina protoka uređaja kontrolirana je na 2 m³/h, a ostali parametri tijekom pročišćavanja otpadnih voda ostali su uglavnom dosljedni. Kombinirana oborinska-kanalizacija iz crpne stanice 1 i crpne stanice 2, kao i mikro-zagađena riječna voda, odabrani su kao uzorci ulazne vode.
2. Rezultati i rasprava
2.1 Brzina stvaranja biofilma MBBR pakiranja s različitim materijalima
Tijekom-faze pokretanja uređaja za pročišćavanje otpadnih voda, kvaliteta ulazne vode bila je stabilna. Nakon dodavanja pakiranja u serijama, pakiranja su prošla normalno stvaranje i sazrijevanje biofilma.
Pod istim radnim uvjetima, stopa stvaranja biofilma pakiranja bio-nosača s različitim materijalima značajno je varirala zbog njihovih inherentnih karakteristika. Stopa stvaranja biofilma u pakiranjima na bazi PE- bila je relativno spora, što je zahtijevalo dodavanje kemikalija kao što je glukoza za zatvorenu aeracijsku kulturu. Promatranjem rada PE i PPC pakiranja u MBBR-AO spregnutom procesu, otkriveno je da se oko 5 dana nakon dodavanja PE pakiranja, tanki žućkasto-smeđi biofilm pojavio na površini nosača. Nakon neprekidnog rada otprilike 1 tjedan, veliki broj paramecija, epistilisa, rotifera i mala količina vorticella pojavio se na površini nosača, što ukazuje da je biofilm u osnovi zreo i da je pokretanje-sustava u tom trenutku završeno. Nasuprot tome, stopa stvaranja biofilma kod PPC pakiranja bila je brža, a biofilm je u osnovi sazrio za oko 3 dana, dok se mulj mogao adsorbirati u unutrašnjost pakiranja. Stvaranje biofilma pomaže poboljšati aktivnost bakterija koje oksidiraju-amonijak. U usporedbi s PE pakiranjima, velika specifična površina PPC pakiranja pogodnija je za stvaranje biofilma i imobilizaciju mikroba. Za PE pakiranja od istog materijala koji tretiraju različite vrste otpadnih voda, učinak pakiranja na stvaranje biofilma također je pokazao značajne razlike. Na slici 2(a) može se vidjeti da je na površini PE ambalaže u mikro-zagađenoj riječnoj vodi postojao tanki svijetlosmeđi biofilm. Međutim, slika 2(b) pokazuje da je sloj biofilma na površini PE ambalaže u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji bio fragmentiran, što ukazuje da je učinak stvaranja biofilma PE ambalaže u mikro-zagađenoj riječnoj vodi bio znatno bolji od onog u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji. Na slici 2(c) i slici 2(d) može se vidjeti da razlika u učinku stvaranja biofilma PPC pakiranja u mikro-zagađenoj riječnoj vodi i kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji nije bila značajna.
2. 2 Kapacitet uklanjanja dušika iz amonijaka bio-pakiranja nosača s različitim materijalima
Sadržaj dušika u amonijaku ključni je pokazatelj za procjenu stvarnog učinka pročišćavanja otpadnih voda iz crpnih stanica. Stoga, kapacitet uklanjanja dušika iz amonijaka ima važno praktično usmjeravajuće značenje za odabir tipova pakiranja bio-nosača u MBBR-AO spregnutom procesu.
2. 3 Učinak PE i PPC ambalaže na uklanjanje dušika iz amonijaka na mikro-zagađenu riječnu vodu tijekom kratkoročnog-provođenja procesa
Kao što je prikazano na slici 3, prosječne ulazne masene koncentracije dušika u amonijaku MBBR-AO spregnutog procesa s PE i PPC pakiranjima bile su 3,69 mg/L odnosno 3,39 mg/L. U međuvremenu je stvarna ulazna koncentracija dušika u amonijaku značajno oscilirala, što je bilo uzrokovano oborinama. U procesu s PE ambalažom, prosječna količina uklanjanja dušika iz amonijaka i prosječna stopa uklanjanja mikro-zagađene riječne vode bile su 3,12 mg/L odnosno 84,55%, što je više od onih u procesu s PPC ambalažom (2,56 mg/L i 75,52%). To ukazuje da je dodavanje PE ambalaže u MBBR-AO spregnuti proces pogodnije za uklanjanje amonijačnog dušika iz mikro-zagađene riječne vode u kratkom roku (unutar 12 dana).
2.4 Učinak PE i PPC ambalaže na uklanjanje dušika iz amonijaka na kombiniranu kanalizaciju-oborinske vode tijekom kratkoročnog-provođenja procesa
Kao što je prikazano na slici 4, tijekom kratkoročnog-(18-dana) rada MBBR-AO spojenog procesa s PE ambalažom, prosječne ulazne masene koncentracije dušika u amonijaku kombinirane oborinske-kanalizacije iz crpne stanice 1 [Slika 4(a)] i Crpne stanice 2 [Slika 4(b)] bile su 7,24 mg/L odnosno 9,35 mg/L. Kada su PE brtve dodane u kratkoročnom-(18-dana) pročišćavanju kombinirane oborinske-kanalizacije iz crpne stanice 1 i crpne stanice 2 korištenjem MBBR-AO spojenog procesa, koncentracija amonijačnog dušika u efluentu se značajno smanjila. Prosječna količina uklanjanja dušika iz amonijaka bila je 6,93 mg/L i 7,9 mg/L, s prosječnim stopama uklanjanja od 95,71% odnosno 84,49%. Tijekom kratkoročnog-(18-dana) pročišćavanja kombinirane oborinske-kanalizacije iz crpne stanice 1, stopa uklanjanja dušika iz amonijaka ostala je iznad 90% i dosegla je gotovo 100% 9. dana. Obrađena otpadna voda može biti pogodnija za rast pričvršćenih mikroorganizama, čime se potiče uklanjanje amonijačnog dušika. U međuvremenu, tijekom kratkoročnog -}pročišćavanja (18 dana) kombinirane oborinske vode i kanalizacije iz crpne stanice 2, stopa uklanjanja dušika iz amonijaka uglavnom je ostala oko 90%, što ukazuje da dodavanje PE ambalaže u MBBR-AO spojenom procesu ima snažan učinak uklanjanja dušika iz amonijaka u kombinaciji oborinske vode i kanalizacije u kratkom roku (18 dana).
Kao što je prikazano na slici 5, u MBBR-AO spojenom procesu s PPC ambalažom, ulazne masene koncentracije dušika u amonijaku kombinirane oborinske-kanalizacije iz crpne stanice 1 [Slika 5(a)] i crpne stanice 2 [Slika 5(b)] bile su u rasponu od 3 do 20 mg/L, odnosno 3 do 22 mg/L, s velikim fluktuacije. To može biti zbog oborina koje uzrokuju ulazak dušikovih oksida iz zraka u kanalizacijski sustav, što dovodi do značajnih fluktuacija u ulaznoj koncentraciji dušika u amonijaku. Prosječna ulazna masena koncentracija amonijskog dušika u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji iz crpne stanice 1 i crpne stanice 2 iznosila je 14,76 mg/L odnosno 13,26 mg/L. Nakon kratkotrajnog -tretmana (24 dana) MBBR-AO spojenim postupkom s PPC brtvilima, koncentracija amonijačnog dušika u efluentu značajno se smanjila, s prosječnim masenim koncentracijama od samo 5,32 mg/L i 6,42 mg/L. Prosječne količine uklanjanja dušika iz amonijaka bile su 9,44 mg/L i 6,84 mg/L, a prosječne stope uklanjanja bile su 63,96% odnosno 51,58%. To ukazuje da PPC brtve imaju određeni učinak na uklanjanje amonijačnog dušika iz kombinirane oborinske-kanalizacije. Visoka koncentracija amonijačnog dušika u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji može biti posljedica uvođenja drugih složenih komponenti u kanalizaciju, čime se inhibira razgradnja amonijačnog dušika putem PPC brtvila. U usporedbi s PE ambalažom, PPC ambalaža ima manje pore i veću poroznost. Nečistoće i suspendirane čestice u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji mogu blokirati pore PPC pakiranja, što dovodi do aglomeracije unutar pakiranja i time smanjuje učinkovitost uklanjanja dušika iz amonijaka. U međuvremenu, prethodne studije su otkrile da biofilmovi manji od 1 mm mogu uzrokovati začepljenje pora unutar pakiranja. Iako biofilmovi mogu ubrzati unutarnje začepljenje omotača, oni nisu glavni čimbenik.
Tijekom kratkoročnog-radnja spojenog procesa MBBR-AO, prosječne stope uklanjanja amonijačnog dušika iz PE ambalaže za kombiniranu oborinsku-kanalizaciju (95,71% za crpnu stanicu 1 i 84,49% za crpnu stanicu 2) bile su nešto više od onih za mikro-zagađenu riječnu vodu (84,55%). Nasuprot tome, prosječne stope uklanjanja dušika iz amonijaka iz PPC brtvila za kombiniranu oborinsku-kanalizaciju (63,96% za crpnu stanicu 1 i 51,58% za crpnu stanicu 2) bile su nešto niže od onih za mikro-zagađenu riječnu vodu (75,52%). Za PE ambalažu, u usporedbi s mikro-zagađenom riječnom vodom, niska koncentracija otopljenog kisika u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji pogodnija je za simultanu nitrifikaciju i denitrifikaciju mikroorganizama na PE ambalaži za uklanjanje dušika. Tijekom stvaranja biofilma PPC pakiranja, mulj se adsorbira u unutrašnjost pakiranja, što dovodi do povećanja koncentracije otopljenog kisika, što nije pogodno za istovremenu nitrifikaciju i denitrifikaciju unutarnjih mikroorganizama, što rezultira smanjenjem stopa uklanjanja dušika iz amonijaka u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji i mikro-zagađenoj riječnoj vodi.
Ukratko, dodavanje PE ambalaže kratkoročno više pogoduje razgradnji amonijačnog dušika u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji putem MBBR-AO spojenog procesa.
Učinak PE i PPC ambalaže na uklanjanje dušika iz amonijaka na kombiniranu kanalizaciju-oborinske vode tijekom dugotrajnog-radnja procesa
Kao što je prikazano na slici 6, tijekom dugo- (96- dana) rada MBBR-AO spojenog procesa s PE ambalažom, ulazne masene koncentracije dušika u amonijaku kombinirane oborinske-kanalizacije iz crpne stanice 1 [Slika 6(a)] i Crpne stanice 2 [Slika 6(b)] kretale su se od 2 do 25 mg/L, odnosno 3 do 35 mg/L, s velikim fluktuacijama. Prosječna ulazna masena koncentracija dušika u amonijaku bila je 10,20 mg/L odnosno 8,93 mg/L. Nakon obrade MBBR-AO spojenim postupkom, prosječne masene koncentracije amonijskog dušika u efluentu smanjile su se na 2,93 mg/L i 2,67 mg/L, s prosječnim količinama uklanjanja od 7,27 mg/L i 6,26 mg/L, te prosječnim stopama uklanjanja od 71,27% odnosno 70,10%. Nije bilo značajne razlike u razgradnji amonijačnog dušika u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji iz crpne stanice 1 i crpne stanice 2 dodavanjem PE ambalaže tijekom dugotrajnog-(96-dana) rada MBBR-AO spojenog procesa, a stope uklanjanja amonijačnog dušika održavale su se na oko 74%. Ovo ukazuje da dodavanje PE brtvila u MBBR-AO spojeni proces ima dobar učinak uklanjanja amonijačnog dušika u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji tijekom dugotrajnog-(96-dana) rada. Kada je MBBR-AO spojeni proces s PE ambalažom radio u kasnijoj fazi (84-96 dana), bez obzira na to je li dotok bio kombinirana oborinska voda-kanalizacija iz crpne stanice 1 ili crpne stanice 2, koncentracija dušika iz amonijaka u otpadu značajno se povećala, a stopa uklanjanja dušika iz amonijaka bila je znatno niža od stope uklanjanja od gotovo 90% u ranoj fazi procesa. To je zato što su nakon dugotrajne uporabe same PE ambalaže oštećene i stare, a površinska hrapavost ambalaže se mijenja, što dovodi do smanjenja radne čvrstoće i kapaciteta uklanjanja amonijačnog dušika.
Slika 7 prikazuje promjene u ulaznoj koncentraciji dušika iz amonijaka, koncentraciji dušika iz amonijaka u otpadu, količini uklonjenog dušika iz amonijaka i stopi uklanjanja dušika iz amonijaka tijekom dugotrajnog rada MBBR-AO spojenog procesa s PPC brtvilima. Utjecajne masene koncentracije dušika u amonijaku kombinirane oborinske -kanalizacije iz crpne stanice 1 [Slika 7(a)] i crpne stanice 2 [Slika 7(b)] kretale su se od 3 do 35 mg/L, s prosječnim masenim koncentracijama amonijskog dušika u ulazu od 10,96 mg/L odnosno 8,10 mg/L. Nakon obrade MBBR-AO spojenim postupkom, prosječne masene koncentracije amonijskog dušika u efluentu smanjile su se na 3,96 mg/L i 3,39 mg/L, s prosječnim količinama uklanjanja od 7,00 mg/L i 4,71 mg/L, te prosječnim stopama uklanjanja od 63,87% odnosno 58,15%. Tijekom dugotrajnog-radnja MBBR-AO spojenog procesa, dodavanje PPC brtvila imalo je malo bolji učinak razgradnje amonijačnog dušika u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji iz crpne stanice 1 nego one iz crpne stanice 2, ali razlika nije bila značajna. Ovo ukazuje na to da dodavanje PPC brtvila u MBBR-AO spojeni proces ima određeni učinak uklanjanja amonijačnog dušika u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji tijekom dugotrajnog-rada. Stopa uklanjanja dušika iz amonijaka MBBR-AO spojenog procesa s PPC brtvama tijekom dugotrajnog-rada bila je viša od one tijekom kratkoročnog-rada. To je zato što se tijekom dugotrajnog rada-mulj nakuplja unutar PPC pakiranja, tvoreći lokalno anaerobno ili anoksično okruženje, koje pruža prikladno životno okruženje za životne aktivnosti nitrificirajućih bakterija. Nitrificirajuće bakterije se brzo razmnožavaju, a lokalna reakcija se ubrzava
Ukratko, dodavanje PE ambalaže pogodnije je za razgradnju amonijačnog dušika u kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji MBBR-AO spojenim postupkom tijekom dugotrajnog-rada. U međuvremenu, PE ambalažu treba zamijeniti ili očistiti na vrijeme nakon dugotrajne-uporabe kako bi se osiguralo da se amonijačni dušik u kanalizaciji i dalje može učinkovito ukloniti tijekom dugotrajnog-radnja MBBR-AO spojenog procesa.
Radni vijek pakiranja bio-nosača s različitim materijalima
U usporedbi s PPC brtvilima, PE brtvila imaju duži radni vijek tijekom dugo-pročišćavanja mikro-zagađene riječne vode i kombinirane oborinske-kanalizacije pomoću MBBR-AO spojenog procesa. Kao što je prikazano na slici 8(a), PPC brtvila doživljavaju trosku i oštećenja tijekom procesa obrade otpadnih voda pomoću MBBR-AO spojenog procesa. U međuvremenu dolazi do starenja i aglomeracije unutar pakiranja nakon dugotrajnog rada [slike 8(b) i 8(c)]. PPC brtve imaju lošu propusnost mulja. Iako spužva-kao PPC pakiranja imaju veliku specifičnu površinu, njihove unutarnje pore se lako apsorbiraju od strane mulja i teško izlaze. Dugotrajno{15}}akumuliranje mulja unutar brtvila nastoji stvoriti anaerobno ili anoksično okruženje, uzrokujući postupnu promjenu boje brtvila iz smeđe u crnu. To dovodi do problema kao što su troska, lomljenje, starenje i aglomeracija PPC pakiranja tijekom dugotrajnog rada, čime se skraćuje njihov vijek trajanja. Ovo je također glavni čimbenik za loš učinak PPC pakiranja u uklanjanju amonijačnog dušika iz kombinirane oborinske{19}}kanalizacije [Slike 5(a) i 5(b)]. Nasuprot tome, PE brtve u osnovi nisu imale gore navedene probleme tijekom dugotrajne-pročišćavanja otpadnih voda MBBR-AO spojenim postupkom, s boljom izdržljivošću i dužim vijekom trajanja. Razumna konfiguracija nosača može učinkovito ublažiti utjecaj protoka vode na biofilm, omogućujući biofilmu da stabilno raste bez oštećenja.
Zaključci
U ovoj studiji, PE bio-nosaće i PPC brtve dodane su tijekom procesa obrade otpadnih voda MBBR-AO spojenog procesa. Istraženi su učinci materijala za pakiranje na razgradnju amonijačnog dušika u mikro-zagađenoj riječnoj vodi i kombiniranoj oborinskoj-kanalizaciji, kao i brzina stvaranja mikrobnog biofilma i životni vijek pakiranja od različitih materijala. U usporedbi s PPC pakiranjima, PE pakiranja imaju sporiju stopu stvaranja biofilma, ali dulji vijek trajanja. U međuvremenu, bez obzira koriste li se u dugoročno-ili kratkoročno-pročišćavanju mikro-zagađene riječne vode i kombinirane oborinske-kanalizacije MBBR-AO spojenim postupkom, PE ambalaža pokazuje bolje učinke razgradnje na amonijačni dušik. Rezultati istraživanja pružaju tehničku potporu pri odabiru materijala za pakiranje u procesima pročišćavanja otpadnih voda.