Učinak kombiniranog postupka A2O-MBBR + izgrađenih močvara za pročišćavanje ruralnih kućnih otpadnih voda

Učinak A2O-MBBR + CWs kombinirane tehnologije za pročišćavanje ruralnih kućnih otpadnih voda

Posljednjih godina država intenzivno promiče strategiju razvoja ruralne revitalizacije, fokusirajući se na poboljšanje životnog okoliša i postavljajući veće zahtjeve za pročišćavanje ruralnih kućnih otpadnih voda. Trenutačno glavni procesi pročišćavanja ruralnih kućnih otpadnih voda uključuju biološke metode, ekološke metode i kombinirane procese, od kojih većina potječe iz pročišćavanja urbanih otpadnih voda. Međutim, ruralna područja karakterizira raštrkano stanovništvo, što dovodi do brojnih problema kao što su visoka disperzija otpadnih voda, poteškoće u prikupljanju, mali razmjeri pročišćavanja, niske stope iskorištenja resursa i nedostatni uređaji za pročišćavanje. Nadalje, postoje značajne razlike u kvaliteti i količini otpadnih voda, geografskom položaju, klimi i ekonomskim razinama među regijama, što otežava standardizaciju tehnologija pročišćavanja; jednostavno usvajanje tehnologija pročišćavanja urbanih otpadnih voda nije izvedivo. Infrastruktura za prikupljanje otpadnih voda, poput kanalizacijskih mreža, često je neadekvatna u ruralnim područjima. Na skupljanje otpadnih voda lako utječe kombinirano izlijevanje kanalizacije i infiltracija podzemnih voda, što rezultira niskom koncentracijom organskih tvari u otpadnoj vodi i povećanim poteškoćama za biološko uklanjanje dušika. Velike fluktuacije u kvaliteti i količini otpadnih voda u ruralnim područjima otežavaju održavanje stabilne koncentracije biomase u postrojenjima za pročišćavanje. Štoviše, niske zimske temperature ograničavaju kapacitet biološke obrade, što dovodi do niske učinkovitosti i nestabilne kvalitete otpadnih voda sklone premašivanju standarda u tradicionalnim procesima s aktivnim muljem. Stoga postoji hitna potreba za razvojem tehnologija za pročišćavanje otpadnih voda prikladnih za lokalne uvjete, sa snažnom otpornošću na udarna opterećenja, stabilnim dugotrajnim-radom, niskom potrošnjom energije i visokom učinkovitošću pročišćavanja.

Ruralna područja u Kini obično preferiraju jeftine-tehnologije za-jednostavno-upravljanje kućnim otpadnim vodama, pri čemu su biološki i ekološki kombinirani procesi glavni smjer istraživanja. Trenutno naširoko korištena integrirana pakirana oprema za pročišćavanje otpadnih voda u ruralnim područjima uglavnom koristi procese kao što su anaerobni-anoksični-oksični (A2O) i reaktor s pokretnim slojem biofilma (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 prikladnije za praktične potrebe pročišćavanja ruralnih kućnih otpadnih voda gdje je tehničko osoblje rijetko. Njegove prednosti uključuju visoku koncentraciju biomase, jaku otpornost na udarna opterećenja, visoku učinkovitost tretmana i mali otisak. Istraživanje Luo Jiawena i sur. pokazuje da dodavanje MBBR medija u A2O proces može značajno poboljšati njegov kapacitet pročišćavanja otpadnih voda. Zhou Zhengbing i dr., u stvarnom projektu ruralne kućne otpadne vode, osmislili su dvo{16}}fazni anaerobni/anoksični-kombinirani proces biološkog aeriranog filtra, postižući stabilnu kvalitetu otpadne vode koja zadovoljava standard A razine GB 18918-2002 "Standard ispuštanja zagađivača za komunalna postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda". Osim toga, izgrađena močvarna područja (CW) često se koriste za pročišćavanje ruralnih kućnih otpadnih voda. Na primjer, Zhang Yang i sur. upotrijebio biougljen kao punilo za modificiranje izgrađene močvare, otkrivši da stope uklanjanja za TN, TP i COD mogu doseći 99,41%, 91,40%, odnosno 85,09%. Prethodno istraživanje naše grupe također je pokazalo da bi biougljen za punjenje mulja mogao poboljšati performanse uklanjanja dušika i fosfora iz izgrađenih močvara, poboljšavajući učinkovitost i djelotvornost obrade cjelokupnog sustava i čineći sustav otpornijim na udarna opterećenja. Nadovezujući se na gore navedeno istraživanje, kako bi istražio kombiniranu tehnologiju prikladnu za pročišćavanje ruralnih kućnih otpadnih voda i riješio izazove kao što su poteškoće u održavanju stabilne koncentracije biomase, slaba otpornost na udarna opterećenja i kvaliteta otpadnih voda sklona fluktuacijama i prekoračenju standarda u ruralnim pročišćivačima otpadnih voda, autor je unaprijed postavio A2O-MBBR proces, ispunjavajući ga suspendiranim nosačima biofilma kako bi stvorio integrirani okruženje s fiksnim-filmom aktiviranog mulja (IFAS), povećavajući koncentraciju mulja u sustavu i poboljšavajući učinkovitost tretmana. Uzimajući u obzir ekološko iskorištavanje raspoloživog neiskorištenog zemljišta kao što su jezerca i depresije u ruralnim područjima, te kombiniranje izgrađenih močvara kao procesa obrade poliranja, korištene su metode kao što su korištenje punila mulja biougljenim, recirkulacija nitrificirane tekućine i sadnja potopljenih biljaka kako bi se poboljšala operativna stabilnost kompozitne močvare. Tako je konstruiran kombinirani proces A2O-MBBR + CWs.

U ovoj studiji, korištenjem sirove otpadne vode iz seoskog postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda u Hefeiju kao objekta obrade, konstruirana je pilot-eksperimentalna postavka kombiniranog procesa A2O-MBBR + CWs. Istraživan je utjecaj sezonskih promjena temperature vode na učinak njezine obrade. Pokazatelji onečišćujućih tvari u dotoku i efluentu praćeni su tijekom rada kako bi se istražila učinkovitost uklanjanja i radna stabilnost. Istovremeno je analizirana ekonomska isplativost procesa. Cilj je pružiti referentne podatke i osnovu za primjenu A2O + izgrađene kombinirane tehnologije močvarnih područja u projektima pročišćavanja ruralnih kućanskih otpadnih voda u Kini te ponuditi reference za promicanje pročišćavanja kućnih otpadnih voda i izgradnju prekrasnih, ekološki prihvatljivih sela u ruralnim područjima.

1. Eksperimentalna postavka i metode istraživanja

1.1 Kombinirani tijek procesa

Eksperiment kombiniranog procesa A2O-MBBR + CWs prihvatio je serijski rad jedinice A2O, močvare podzemnog toka temeljene na ugljiku-i ekološkog jezera. Jedinica A2O sastojala se od anaerobnog-anoksičnog kontaktnog spremnika i aerobnog membranskog spremnika (MBBR). I pregrađeni anaerobni spremnik i zona prozračivanja aerobnog MBBR spremnika bili su ispunjeni suspendiranim medijem nosačem biofilma kako bi se osigurale površine za pričvršćivanje za mikroorganizme koji stvaraju biofilmove. Aktivni mulj i biofilm u spremnicima koegzistirali su, tvoreći IFAS sustav, koji je mogao stabilno održavati biomasu sustava. Zbunjeni anoksični spremnik poboljšao je proces denitrifikacije putem recirkulacije nitrificirane tekućine. Aerobni MBBR spremnik imao je sustav prozračivanja na dnu kako bi se poboljšala učinkovitost nitrifikacije. Priključak za doziranje polialuminij klorida (PAC) postavljen je unutar spremnika za dodatno kemijsko uklanjanje fosfora, što omogućuje učinkovito uklanjanje fosfora. CWs jedinica uključivala je močvarno područje podzemnog toka-na bazi ugljika i potopljeno ekološko jezerce za biljke. Močvara izgrađena-na bazi ugljika podzemnim protokom usvojila je tro{17}}sustav filtracije punila. Diskovi za prozračivanje postavljeni su na dno zone punjenja za povratno ispiranje medija kako bi se ublažilo začepljenje. Potopljeno ekološko jezerce s biljkama imalo je sloj vapnenačke podloge na dnu i bilo je zasađeno hladno{20}}otpornim 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 kombiniranog procesa A2O-MBBR + CWs prikazan je uSlika 1.

1.2 Dizajn postavljanja i radni parametri

Eksperimentalna postavka konstruirana je pomoću polipropilenskih ploča debljine 10 mm. Anaerobni spremnik s pregradama bio je napunjen četvrtastim medijem nosača biofilma i sadržavao je pregradne ploče. Omjer recirkulacije miješane tekućine za anoksični spremnik s pregradama bio je 50%~150%, a također je sadržavao odbojne ploče. Aerobni MBBR spremnik podijeljen je pregradom na zonu aerobne aeracije i zonu taloženja. Zona prozračivanja ispunjena je MBBR suspendiranim nosivim medijem s omjerom zraka-prema-vodi od 6:1~10:1. Zona sedimentacije imala je priključak za doziranje PAC-a i nagnute ploče za pomoć sedimentaciji. Močvara podzemnog toka temeljena na ugljiku-: primarna zona punila bila je ispunjena vapnencem (promjer ~5 cm), zona sekundarnog punila zeolitom (promjer ~3 cm), a zona tercijarnog punila punilom od mulja biougljenim (promjer ~0,5~1,0 cm). Visina punila za svaku zonu bila je 75 cm. Zona razmaka široka oko 4 cm postavljena je između primarne i sekundarne zone punila za funkcije kao što su dodavanje vanjskih izvora ugljika, promatranje i održavanje/pražnjenje (tijekom ovog eksperimenta nije dodan izvor ugljika). Potopljeno ekološko jezerce s biljkama ispunjeno je vapnenačkim punilom (promjera ~3 cm) u visini od 20 cm. Potopljene biljke posađene su na razmak redova od 10 cm i razmak između biljaka 10 cm. Eksperiment je koristio sirovu otpadnu vodu iz seoskog postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda u Hefeiu kao influent. Eksperimentalno razdoblje trajalo je od 25. svibnja 2022. do 17. siječnja 2023., ukupno 239 dana. Potopljene biljke sakupljene su jednom 2. prosinca, s učestalošću otprilike jednom svakih 6 mjeseci. Projektirani kapacitet pročišćavanja otpadnih voda bio je 50~210 L/d. Detaljni projektni parametri postava prikazani su uTablica 1.

1.3 Eksperimentalne metode

1.3.1 Eksperimentalni dizajn

1.3.1.1 Ispitivanje optimalnog kapaciteta pročišćavanja otpadnih voda

Nakon uspješnog probnog rada eksperimentalne postavke (stabilna kvaliteta efluenta), ispitivanje optimalnog kapaciteta pročišćavanja otpadnih voda provedeno je od 25. svibnja 2022. do 30. lipnja 2022. U uvjetima održavanja omjera zraka-i-vode u aerobnom spremniku od 6:1, omjera recirkulacije nitrificirane tekućine od 100% i upotrebe PAC-a (sadržaj Al2O3 28%) oko 3,7 g/d, kapacitet pročišćavanja otpadnih voda postrojenja postupno je povećavan (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 L/d). Promjene u kvaliteti otpadnih voda praćene su kako bi se istražio optimalni kapacitet pročišćavanja otpadnih voda postrojenja. Tijekom tog razdoblja temperatura vode je varirala između 24,5~27,1 stupnjeva. Kako bi se osigurala stabilna usklađenost otpadnih voda zimi, usvojeni standard otpadnih voda bio je standard razreda A od GB 18918-2002 "Standard ispuštanja onečišćujućih tvari za komunalna postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda".

1.3.1.2 Ispitivanje opće učinkovitosti kombiniranog procesa

Testno razdoblje bilo je od 1. srpnja 2022. do 17. siječnja 2023. Optimalni kapacitet pročišćavanja otpadnih voda postavljen je na 120 L/d. Omjer zraka-i-vode u aerobnom spremniku bio je 6:1~10:1, a omjer recirkulacije miješane tekućine bio je 50%~150%. Pokazatelji kvalitete ulazne i otpadne vode (TN, TP, BR₃^--N, NH₄⁺-N i COD) iz svake procesne jedinice su praćeni. Zabilježene su promjene temperature vode tijekom razdoblja ispitivanja (pod utjecajem sezonske klime). Analizirana je učinkovitost pročišćavanja A2O-MBBR + CWs kombiniranog procesa ruralne kućne otpadne vode i istražen je utjecaj sezonskih promjena temperature vode na učinkovitost kombiniranog procesa.

1.3.2 Uzorkovanje

Tijekom razdoblja ispitivanja uzorci su uzimani neredovito (otprilike 1-2 puta tjedno) za ispitivanje kvalitete vode. Uzorci su prikupljeni iz efluenta postrojenja, efluenta iz anaerobnog-anoksičnog spremnika, efluenta aerobnog MBBR spremnika, efluenta iz močvarnog podzemnog toka na bazi ugljika-i efluenta iz ekološkog jezera potopljenih biljaka. Uzorci protoka uzeti su iz ulazne cijevi postrojenja, a uzorci otpadnih voda iz izlaza svake jedinice. Ispitivanje pokazatelja kakvoće vode završeno je istog dana uzorkovanja. Ispitani pokazatelji uključivali su TN, TP, NO₃^--N, NH₄⁺-N i COD. Svaki put kad su uzeti uzorci, zabilježena je očitana temperatura vode s termometra u ekološkom jezercu (koja varira između 0~32 stupnja). Temperatura vode u ekološkom ribnjaku mijenjala se prirodno sa sezonskim temperaturnim razlikama. Projektirani standard otpadnih voda za pokusnu postavu slijedio je standard razreda A iz DB 34/3527-2019 "Standard ispuštanja zagađivača vode za ruralna postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda iz kućanstva". Projektirane ulazne koncentracije i standardi efluenta detaljno su opisani uTablica 2.

1.3.3 Metode analize kvalitete vode

Koncentracija TN u uzorcima vode određena je pomoću HJ 636-2012 "Kvaliteta vode - Određivanje ukupnog dušika - UV spektrofotometrijska metoda razgradnje alkalnim kalijevim persulfatom". NE₃^--Koncentracija N određena je pomoću HJ/T 346-2007 "Kvaliteta vode - Određivanje nitratnog dušika - ultraljubičasta spektrofotometrija (pokus)". NH₄⁺-Koncentracija N određena je pomoću HJ 535-2009 "Kvaliteta vode - Određivanje amonijačnog dušika - Nesslerovom reagensnom spektrofotometrijom". COD je određen pomoću HJ 828-2017 "Kvaliteta vode - Određivanje kemijske potrošnje kisika - Dikromatna metoda". Koncentracija TP određena je pomoću GB 11893-1989 "Kvaliteta vode - Određivanje ukupnog fosfora - Spektrofotometrijska metoda s amonijevim molibdatom".

2. Rezultati i rasprava

2.1 Utjecaj kapaciteta pročišćavanja otpadnih voda na izvedbu kombiniranog procesa

Kao što je prikazano uSlika 2 (a) (b), kako se dnevni kapacitet pročišćavanja otpadnih voda postupno povećavao s 50 L/d na 210 L/d, učinkovitost uklanjanja TN i NH₄⁺-N po svakoj jedinici kombiniranog procesa pokazao je trend pada. Stopa uklanjanja TN smanjena je s 91,55% (50 L/d) na 52,17% (210 L/d), a NH₄⁺-Brzina uklanjanja dušika smanjena je sa 97,47% (70 L/d) na 80,68% (210 L/d). To je zato što povećanje dnevnog kapaciteta pročišćavanja otpadnih voda smanjuje hidrauličko vrijeme zadržavanja, skraćujući vrijeme dostupno mikroorganizmima za razgradnju zagađivača, što rezultira lošijom izvedbom pročišćavanja. Među njima je jedinica A2O najviše doprinijela TN i NH₄⁺-N uklanjanje. Prosječna ulazna koncentracija TN za ovu jedinicu bila je 38,68 mg/L, efluent je bio 16,87 mg/L, sa stopom uklanjanja od 56,29%. Prosječni utjecajni NH₄⁺-Koncentracija N bila je 36,29 mg/L, efluent je bio 5,50 mg/L, sa stopom uklanjanja od 84,85%. Za močvarno područje podzemnog protoka temeljeno na ugljiku, prosječna ulazna koncentracija TN bila je 16,87 mg/L, efluent je bio 11,96 mg/L, sa stopom uklanjanja od 29,10%. Za potopljeno ekološko jezerce za biljke, prosječna ulazna koncentracija TN bila je 11,96 mg/L, efluent je bio 9,47 mg/L, sa stopom uklanjanja od 20,82%. Učinkovitost uklanjanja dušika u močvarnom-podzemnom protoku na bazi ugljika bila je bolja nego u ekološkom jezeru jer je anaerobno-anoksično okruženje močvarnog tla podzemnog protoka prikladnije za denitrifikaciju. Međutim, NH₄⁺-Učinkovitost uklanjanja ekološkog jezera bila je bolja od one u močvarnom području podzemnog toka. Prosječni utjecajni NH₄⁺-Koncentracija N za močvarno područje podzemnog toka na bazi ugljika bila je 5,50 mg/L, efluent je bio 4,04 mg/L, sa stopom uklanjanja od samo 26,53%. Za ekološki ribnjak, prosječni dotok NH₄⁺-Koncentracija N bila je 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 prikladnije za nitrifikaciju, pretvarajući više NH₄⁺-N u NE₃^--N, što rezultira višim NH₄⁺-N stopa uklanjanja. Kada je kapacitet pročišćavanja otpadnih voda dosegao 150 L/d, koncentracija TN u efluentu bila je 15,11 mg/L, što je premašilo standard razreda A GB 18918-2002. Stoga, kako bi se osigurala stabilna TN usklađenost, maksimalni kapacitet pročišćavanja otpadnih voda bio je 120 L/d. Kada je kapacitet pročišćavanja otpadnih voda dosegao 210 L/d, efluent NH₄⁺-Koncentracija N bila je 7,07 mg/L, premašujući standard razreda A od GB 18918-2002. Stoga je maksimalni kapacitet pročišćavanja otpadnih voda za NH₄⁺-N usklađenost bila je 180 L/d.

Kao što je prikazano uSlika 2 (c), prosječna ulazna KPK bila je ispod 100 mg/L, što ukazuje na nizak organski sadržaj. Povećanje kapaciteta pročišćavanja otpadnih voda nije značajno utjecalo na uklanjanje KPK, sa stopama uklanjanja KPK između 75%~90%. Kako se kapacitet pročišćavanja otpadnih voda povećao s 50 L/d na 210 L/d, prosječni KPK u efluentu bio je 19,16 mg/L, s maksimalnim KPK u efluentu od 26,07 mg/L, što je još uvijek daleko ispod standarda od 50 mg/L GB 18918-2002 Grade A. Jedinica A2O najviše je pridonijela uklanjanju KPK jer je uređaj za prozračivanje u aerobni MBBR spremnik stvorio je aerobno okruženje, povećavajući biokemijski kapacitet aerobnih mikroorganizama i jačajući uklanjanje KPK. Dodatno, recirkulacija nitrificirane tekućine u jedinici A2O omogućila je anoksičnom spremniku s preprekom da dodatno iskoristi organsku tvar u otpadnoj vodi kao izvor ugljika, uklanjajući dio COD-a dok povećava denitrifikaciju. Močvara podzemnog toka temeljena na ugljiku-pridonijela je drugom najvećem uklanjanju KPK. Njegovo anaerobno-anoksično okruženje pogoduje korištenju organske tvari u otpadnoj vodi kao izvoru ugljika, razgrađujući dio organskih tvari uz istovremeno poboljšanje denitrifikacije, što je i razlog zašto je imao bolje uklanjanje TN. Nadalje, sloj supstrata močvare podzemnog toka može adsorbirati nešto organske tvari. Ekološki ribnjak imao je ograničen učinak na degradaciju KPK. Prosječni influentni COD za ekološki ribnjak bio je 22,21 mg/L, a većina organskih tvari koje se lakše razgrađuju već su razgrađene, ostavljajući organske tvari koje se teže razgrađuju.

Kao što je prikazano uSlika 2 (d), kako se kapacitet pročišćavanja otpadnih voda povećavao, koncentracija TP u otpadnoj vodi ostala je stabilna. Povećanje kapaciteta pročišćavanja otpadnih voda nije značajno utjecalo na uklanjanje TP. Prosječna ulazna koncentracija TP bila je 3,7 mg/L, a prosječna koncentracija efluenta bila je 0,18 mg/L, s prosječnom stopom uklanjanja od 95,14%, što ukazuje na dobro uklanjanje TP. TP je uglavnom uklonjen u jedinici A2O. Ulazna koncentracija TP za jedinicu A2O bila je 3,7 mg/L, a efluent je bio samo 0,29 mg/L, bolje od standarda od 0,5 mg/L GB 18918-2002 Grade A. To je zato što jedinica A2O ne samo da je imala biološko uklanjanje fosfora organizmima koji nakupljaju fosfor (PAO), već je također dopunjena kemijskim uklanjanje fosfora doziranjem 3,7 g/dan PAC. Kombinacija biološkog i kemijskog uklanjanja fosfora rezultirala je uklanjanjem preko 90% fosfora u jedinici A2O. Močvarno područje podzemnog toka i ekološko jezero uglavnom se oslanjalo na mehanizme kao što su adsorpcija supstrata, sedimentacija, unos biljaka i mikrobna razgradnja za uklanjanje fosfora. Štoviše, koncentracija TP koja je ulazila u močvaru već je bila niska kao 0,29 mg/L, što je otežavalo daljnje uklanjanje. Ovi kombinirani razlozi doveli su do općeg učinka uklanjanja TP-a močvare i ekološkog ribnjaka.

Stoga, kako bi se osigurala stabilna usklađenost svih pokazatelja otpadnih voda sa standardom GB 18918-2002 Grade A, optimalan kapacitet pročišćavanja otpadnih voda za ovaj proces je određen na 120 L/d.

2.2 Učinkovitost uklanjanja zagađivača kombiniranog procesa

2.2.1 Izvedba uklanjanja COD-a

Kao što je prikazano uSlika 3, tijekom razdoblja testiranja ukupne učinkovitosti pročišćavanja (1. srpnja 2022. do 17. siječnja 2023., kapacitet pročišćavanja otpadnih voda 120 L/d), temperatura vode pokazala je fluktuirajući silazni trend, smanjujući se s 32 stupnja na 0 stupnjeva . Stopa uklanjanja KPK je fluktuirala, a pad temperature vode nije imao očit utjecaj na uklanjanje KPK. U kombinaciji saSlika 4, stopa uklanjanja KPK varirala je između 66,16% ~ 82,51%, primarno pod utjecajem koncentracije KPK. Studije pokazuju da se u anaerobnim/anoksičnim uvjetima uklanjanje KPK uglavnom oslanja na djelovanje mikroba. Proces A2O-MBBR+CWs izmjenjuje anaerobne-anoksične-oksične-anoksične-oksične uvjete, poboljšavajući uklanjanje KPK. Tijekom rada, kako se temperatura vode smanjivala, iako je ulazni KPK bio u rasponu od 80~136 mg/L, KPK u efluentu je ostao stabilan ispod 50 mg/L, zadovoljavajući standard A razine DB 34/3527-2019, što ukazuje na dobru organsku degradaciju. Odjeljak A2O najviše je pridonio uklanjanju COD-a. Zbunjeni anaerobni-anoksični kontaktni spremnik imao je prosječnu stopu uklanjanja KPK od 43,38%, što čini 65,43% ukupnog uklanjanja KPK. Aerobni MBBR spremnik imao je prosječnu stopu uklanjanja od 14,69%, što čini 19,87% od ukupnog broja. Odjeljak A2O pridonio je preko 85% uklanjanju COD-a, iskoristivši veliku specifičnu površinu medija u pregrađenom anaerobnom spremniku i aerobnom MBBR spremniku, visoku koncentraciju mulja i formiranje hranidbenog lanca od bakterija → protozoa → metazoa, učinkovito razgrađujući organsku tvar u vodi. Visoka biološka raznolikost IFAS sustava osigurala je dobro uklanjanje organskih tvari čak i pri promjenama temperature. Dodatno, dio topljive organske tvari u otpadnoj vodi u zatvorenom anaerobno-anoksičnom kontaktnom spremniku koristit će se kao izvor ugljika pomoću denitrifikacijskih bakterija. U međuvremenu, recirkulirana miješana tekućina povećala je NO₃^--Koncentracija dušika u anoksičnom spremniku, promičući iskorištavanje izvora ugljika denitrifikacijskim bakterijama za pretvaranje NO₃^--N/NE₂^--N u plinoviti dušik. Visoka stopa uklanjanja KPK u zbunjenom anaerobnom-anoksičnom kontaktnom spremniku dodatno potvrđuje da ovaj proces može učinkovito iskoristiti organsku tvar u otpadnoj vodi kao izvor ugljika za denitrifikaciju. Močvara podzemnog toka temeljena na ugljiku imala je prosječnu stopu uklanjanja KPK od 7,18%, što čini 9,18% ukupnog uklanjanja KPK. Anaerobno/anoksično okruženje močvarnog područja podzemnog toka pogodno je za mikroorganizme koji koriste organsku tvar kao izvor ugljika, postižući uklanjanje KPK uz povećanje denitrifikacije. Povezana istraživanja također pokazuju da biougljeno punilo može adsorbirati organsku tvar elektrostatskim privlačenjem i međumolekularnim vodikovim vezama. Stoga bi punilo mulja biougljenim u močvarnom području podzemnog toka također apsorbiralo nešto organske tvari. Potopljeno ekološko jezerce s biljkama imalo je prosječnu stopu uklanjanja KPK od samo 3,68% jer je KPK koji je ulazio u jezerce već bio nizak, u prosjeku 30,59 mg/L, i uglavnom se sastojao od vatrostalnih organskih tvari, uklonjenih uglavnom adsorpcijom i unosom biljke, s ograničenim učinkom.

2.2.2 Učinkovitost uklanjanja dušika

Kao što je prikazano uSlika 3, kako se temperatura vode postupno smanjivala s 32 stupnja na 12 stupnjeva , TN i NH₄⁺-N stope uklanjanja su varirale. Prosječna stopa uklanjanja TN dosegla je 75,61%, a prosječna NH₄⁺-N stopa uklanjanja dosegla je 95,70%. Kada je temperatura vode pala ispod 12 stupnjeva, TN i NH₄⁺-N stope uklanjanja pokazuju brzi trend pada, ali prosječne stope uklanjanja i dalje su dosegle 58,56% odnosno 80,40%. To je zato što sezonsko smanjenje temperature vode inhibira aktivnost mikroba, slabeći učinkovitost denitrifikacije. Prema statističkim rezultatima koncentracija onečišćujućih tvari u dovodu i odvodu tijekom razdoblja kombiniranog rada procesa (1. srpnja 2022. do 17. siječnja 2023.) prikazanih uTablica 3, prosječni dotok TN i NH₄⁺-Koncentracije N bile su 36,56 mg/L, odnosno 32,47 mg/L. NH₄⁺-N je činio 88,81% TN. Utjecajni NO₃^--N (0,01 mg/L) bio je gotovo zanemariv. Prosječni efluent TN i NH₄⁺-Koncentracije N bile su 11,69 mg/L, odnosno 3,5 mg/L, obje u skladu sa standardom A razine DB 34/3527-2019. Prosječni efluent NO₃^--Koncentracija N bila je 6,03 mg/L, što ukazuje na dobar kapacitet nitrifikacije ovog procesa, pretvarajući NH₄⁺-N do NE₃^--N. Međutim, nakupljanje NO₃^--N u efluentu sugerira da još ima mjesta za daljnju denitrifikaciju. Kao što je prikazano uSlika 5 (a), uklanjanje TN bilo je najveće u dijelu A2O. Zbunjeni anaerobni-anoksični kontaktni spremnik imao je prosječnu stopu uklanjanja TN od 44,25%, a aerobni MBBR spremnik imao je prosječnu stopu uklanjanja TN od 9,55%. To je rezultat kombiniranog djelovanja nitrifikacijskih bakterija u aerobnoj zoni i denitrifikacijskih bakterija u anoksičnoj zoni. Konstruirano močvarno tlo -na bazi ugljika imalo je prosječnu stopu uklanjanja TN od 11,07%, jer njegova sposobnost otpuštanja izvora ugljika i njegovo anaerobno/anoksično okruženje pogoduju denitrifikaciji, održavajući određeni kapacitet uklanjanja dušika. Potopljeno ekološko jezerce s biljkama imalo je prosječnu stopu uklanjanja TN od samo 3,54%, s općim učinkom uklanjanja, jer njegovo aerobno okruženje nije pogodno za denitrifikaciju. Kao što je prikazano uSlika 5 (b), NH₄⁺-Uklanjanje N prvenstveno je dovršeno u odjeljku A2O. Zbunjeni anaerobni-anoksični kontaktni spremnik imao je NH₄⁺-Stopa uklanjanja N od 59,46%, a aerobni MBBR spremnik imao je NH₄⁺-N stopa uklanjanja od 24,24%. Odsjek A2O činio je 93,57% ukupnog NH₄⁺-N uklanjanje. Visoki NH₄⁺-Uklanjanje N u odjeljku A2O nastaje zbog kontinuiranog prozračivanja u aerobnom MBBR spremniku, što omogućuje nitrifikacijskim bakterijama da u potpunosti iskoriste DO za pretvaranje NH₄⁺-N do NE₃^--N. To se zatim recirkulira u anoksični spremnik, gdje denitrifikacijske bakterije pretvaraju NO₃^--N do N2 za uklanjanje. Tijekom testnog razdoblja prosječna stopa uklanjanja TN bila je 68,40%, a prosječna NH₄⁺-Stopa uklanjanja dušika bila je 89,45%, što ukazuje na dobru učinkovitost uklanjanja dušika.

Kao što je prikazano uSlika 3, kako se temperatura vode smanjila s 32 stupnja na 0 stupnjeva, stopa uklanjanja TN smanjila se s maksimalnih 79,19% na 51,38%. U kombinaciji saSlika 5 (a), when water temperature was >20 stupnjeva, prosječna stopa uklanjanja TN premašila je 75%, s prosječnom koncentracijom efluenta od 8,41 mg/L, jer je aktivnost mikroba veća u rasponu od 20~32 stupnja, što dovodi do bolje denitrifikacije, u skladu s istraživanjem Zhang Na i sur. Kada se temperatura vode smanjila s 20 stupnjeva na 5 stupnjeva, prosječna stopa uklanjanja TN smanjila se na 65,44%, a prosječna koncentracija efluenta povećala se na 12,70 mg/L. Kada je temperatura vode bila 0~5 stupnjeva, prosječna stopa uklanjanja TN smanjila se na 52,75%, a prosječna koncentracija efluenta povećala se na 17,62 mg/L, što ukazuje na određeni utjecaj na uklanjanje TN. Istraživanja pokazuju da se snižavanjem temperature vode smanjuje aktivnost mikroba. 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 stupnjeva, učinak uklanjanja TN je dobar, s efluentom stabilnim ispod 15 mg/L. U ovom trenutku, s obzirom na uklanjanje drugih onečišćujućih tvari, kapacitet pročišćavanja otpadnih voda može se odgovarajuće povećati.

Kao što je prikazano uSlika 3, kako se temperatura vode postupno smanjivala, NH₄⁺-Brzina uklanjanja dušika smanjena je s najviše 99,52% na najmanje 74,77%, a otpadni NH₄⁺-Koncentracija N porasla je s najmanje 0,17 mg/L na 8,40 mg/L. Smanjenje temperature vode inhibira aktivnost nitrifikacijskih i nitritifikacijskih bakterija, smanjujući NH₄⁺-N removal. However, when water temperature >12 stupnjeva, prosječni efluent NH₄⁺-Koncentracija N bila je 1,58 mg/L. Kada je temperatura vode manja ili jednaka 12 stupnjeva, prosječni efluent NH₄⁺-Koncentracija N porasla je na 6,58 mg/L, ali efluent NH₄⁺-N je uvijek ispunjavao standard A razine DB 34/3527-2019. Kada je temperatura vode bila 20~32 stupnja, prosječni NH₄⁺-Stopa uklanjanja N premašila je 96%. U kombinaciji saSlika 5 (b), efluent NH₄⁺-Koncentracija N bila je ispod 2 mg/L u ovom rasponu, što ukazuje na visoku aktivnost nitrificirajućih bakterija i odličan ukupni NH₄⁺-N uklanjanje. Kada se temperatura vode postupno smanjila s 20 stupnjeva na 12 stupnjeva, prosječni NH₄⁺-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12 stupnjeva pogodan je za rast nitrifikacijskih bakterija, potičući nitrifikaciju. Prema tome, NH₄⁺-N je održavao visoke stope uklanjanja u rasponu od 12~20 stupnjeva. Kada se temperatura vode postupno smanjila s 12 stupnjeva na 0 stupnjeva, prosječni NH₄⁺-Stopa uklanjanja N i dalje je dosegla 80%. Postojeća istraživanja pokazuju da nitrificirajuće bakterije gotovo gube sposobnost nitrifikacije na 0 stupnjeva. Međutim, rezultati ove studije pokazuju da čak i pri 0 stupnjeva NH₄⁺-Stopa uklanjanja dušika premašila je 75%, što ukazuje na dobre performanse nitrifikacije ovog procesa na niskim temperaturama. To je zato što IFAS sustav u odjeljku A2O-MBBR ove studije ima dugu starost biofilmskog mulja do otprilike 1 mjeseca, zbog čega je stopa nitrifikacije u biokemijskom spremniku daleko manje pod utjecajem temperature od tradicionalnih procesa s aktivnim muljem, značajno poboljšavajući performanse nitrifikacije na niskim zimskim temperaturama. Istraživanje Wei Xiaohan i sur. također ukazuje da je glavni razlog ne-usklađene NH₄⁺-N efluent u uvjetima niske temperature vode je nedovoljna starost aktivnog mulja, pri čemu je utjecaj 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. Tijekom razdoblja ispitivanja, prosječni efluent NH₄⁺-Koncentracija N bila je 3,50 mg/L, a kombinirani proces pokazao je dobre i stabilne performanse nitrifikacije.

2.2.3 Učinkovitost uklanjanja fosfora

Kao što je prikazano uSlika 3, stopa uklanjanja TP malo je varirala s promjenama temperature vode, ostajući stabilna iznad 94%. U kombinaciji saSlika 6, ulazna koncentracija TP kretala se u rasponu od 3,03~4,14 mg/L, a efluentna koncentracija TP u rasponu od 0,14~0,28 mg/L, zadovoljavajući standard razreda A DB 34/3527-2019. Ovaj se proces oslanja na kombinirano djelovanje biološkog uklanjanja fosfora (pomoću PAO) i kemijskog uklanjanja fosfora (pomoću PAC). Kada se temperatura vode smanji, aktivnost PAO je inhibirana, što utječe na biološko uklanjanje fosfora. Međutim, ovaj proces nadopunjuje kemijskim uklanjanjem fosfora doziranjem 3,7 g/dan PAC-a, održavajući stabilnu stopu uklanjanja TP i smanjujući utjecaj promjena temperature vode na uklanjanje fosfora u kombiniranom procesu. Jedinica A2O imala je najbolju izvedbu uklanjanja TP-a. 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 jedinicu A2O bila je 92,12%. Zbunjeni dizajn A2O-MBBR odjeljka može u velikoj mjeri ukloniti nitratni dušik koji se nosi u recirkuliranoj miješanoj tekućini, dopuštajući anaerobnim PAO da temeljitije otpuštaju fosfor u anaerobnom dijelu i potpunije apsorbiraju fosfor u aerobnom dijelu, povećavajući biološko uklanjanje fosfora. Osim toga, kemijsko uklanjanje fosfora doziranjem na jednu stranu aerobnog MBBR spremnika održalo je stabilnu stopu uklanjanja TP, s kvalitetom efluenta koja je stalno bolja od standarda A razine DB 34/3527-2019. Biološko uklanjanje fosfora u odjeljku A2O-MBBR uglavnom se događa kada PAO u zaprečenom anaerobnom spremniku koriste izvore ugljika za pretvaranje dijela organske tvari i hlapljivih masnih kiselina u polihidroksialkanoate (PHA). Kada otpadna voda teče iz pregrađenog anaerobnog spremnika u aerobni MBBR spremnik, PAO-i tada koriste PHA-ove kao donore elektrona kako bi dovršili unos fosfora. Međutim, na učinak biološkog uklanjanja fosfora lako utječe aktivnost PAO, a niska temperatura vode ograničava aktivnost PAO. Stoga je, kako bi se postiglo stabilno uklanjanje fosfora, kemijsko uklanjanje fosfora uključeno u dizajn procesa. Osim toga, adsorpcija slojem supstrata u močvarnom podzemnom toku na bazi ugljika i rast potopljenih biljaka u ekološkom jezercu također apsorbiraju nešto fosfora.

Ukratko, postrojenje je radilo stabilno tijekom ispitnog razdoblja, uz dobre ukupne performanse uklanjanja onečišćenja. Kombinirani postupak A2O-MBBR + CWs postigao je prosječne stope uklanjanja od 68,40%, 89,45%, 73,94% i 94,04% za TN, NH₄⁺-N, COD, odnosno TP. Prosječne koncentracije otpadnih voda bile su 11,69 mg/L, 3,50 mg/L, 26,9 mg/L i 0,22 mg/L, respektivno, pri čemu sve zadovoljavaju standard A razine DB 34/3527-2019. Istraživanje Wu Qionga i sur. pokazuje da je A2O-MBBR kompozitni proces aktivnog mulja i biofilma, koji se odlikuje velikom količinom mikroba, dugom starošću mulja, visokim volumetrijskim opterećenjem, malim volumenom i otiskom, velikom otpornošću na udarna opterećenja, dobrom kvalitetom efluenta i stabilnim radom. Štoviše, učinak denitrifikacije procesa biofilma zimi bolji je od procesa s aktivnim muljem, što ga čini prikladnijim za pročišćavanje otpadne vode niske-temperature zimi. To je ujedno i glavni razlog za dobre performanse uklanjanja zagađivača A2O-MBBR sekcije u ovoj studiji. Kombinirani postupak A2O-MBBR + CWs u ovoj studiji dodaje CWs zonu tretmana za poliranje na temelju procesa A2O-MBBR, dodatno poboljšavajući ukupnu izvedbu pročišćavanja i radnu stabilnost procesa. Uklanjanje TN i NH₄⁺-Na N su manje utjecale sezonske promjene temperature vode, dok je sezonska temperatura vode gotovo bez utjecaja na uklanjanje COD i TP. Tijekom razdoblja ispitivanja pokazao je jaku otpornost na udarna opterećenja, što ga čini prikladnim za upotrebu u ruralnim područjima s velikim fluktuacijama u kvaliteti i količini kućnih otpadnih voda.

2.3 Ekonomska analiza kombiniranog procesa

Troškovi ovog kombiniranog procesa uglavnom uključuju troškove izgradnje i operativne troškove pročišćavanja otpadnih voda. Troškovi izgradnje odnosili su se na postavljanje eksperimentalne postavke, uključujući kupnju tijela spremnika, pomoćne električne opreme, medija, potopljenih postrojenja i cijevnih spojeva, u ukupnom iznosu od približno 3000 CNY. Na temelju maksimalnog kapaciteta pročišćavanja otpadnih voda tijekom eksperimenta od 0,18 m³/d, cijena izgradnje po m³ pročišćene otpadne vode iznosi približno 16.700 CNY. Operativni troškovi uglavnom proizlaze iz operacije postavljanja, uključujući potrošnju energije opreme, troškove kemikalija, troškove odlaganja mulja i troškove rada. Električna oprema uključuje: dovodnu pumpu (snaga 2 W, Q=2.8 m³/d), recirkulacijsku pumpu (snaga 2 W, Q=2.8 m³/d), aerator (snaga 5 W, brzina prozračivanja=5 L/min) i peristaltičku pumpu za doziranje (snaga 2 W). Izračunato na temelju stvarne maksimalne utrošene snage: dovodna pumpa 0,13 W, recirkulacijska pumpa 0,19 W, perlator 1,25 W, dozirna pumpa 2 W. Ukupna stvarna utrošena snaga je 0,00357 kW, dnevna potrošnja energije 0,086 kWh. Potrošnja električne energije po m³ pročišćene otpadne vode iznosi 0,48 kWh. Koristeći industrijsku cijenu električne energije od 0,7 CNY/kWh, cijena električne energije je 0,33 CNY/m³. Cijena PAC kemikalija je oko 2,4 CNY/kg, potrošnja 3,7 g/dan. Potreban PAC po m³ otpadne vode je 20,56 g, cijena 0,05 CNY/m³. Trošak zbrinjavanja mulja=količina mulja × jedinični volumen trošak zbrinjavanja mulja. Proizvodnja suhog mulja po toni vode iznosi 0,09 kg. Na temelju jedinične cijene prijevoza i odlaganja mulja iz komunalnih uređaja za pročišćavanje otpadnih voda od 60 CNY/toni, trošak odlaganja mulja po toni vode=0.09 kg × 0,06 CNY/kg=0.054 CNY. Budući da je pilot postavka zahtijevala samo periodične preglede nakon rada, troškovi rada procijenjeni su na temelju stvarnog inženjerskog iskustva. Postrojenje od 10 000 tona dnevno upravlja 1-2 osobe. Uz pretpostavku da je plaća jedne osobe 3000 CNY mjesečno, za 2 osobe pokazatelj troškova rada je oko 0,02 CNY/toni vode. Pojedinosti o trošku prikazane su uTablica 4. Ukratko, operativni trošak tretmana je otprilike 0,46 CNY/m³. Međutim, kako se kapacitet pročišćavanja otpadnih voda povećava, troškovi izgradnje i rada po toni vode bi se smanjivali. Troškovi izgradnje i rada tijekom pilot testa služe samo kao referenca.

3. Zaključci

Kombinirani postupak A2O-MBBR + CWs pokazao je dobru izvedbu za pročišćavanje ruralnih kućnih otpadnih voda. Na uklanjanje TP i COD 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 stupnjeva, kvaliteta otpadnih voda mogla bi zadovoljiti standard razreda A GB 18918-2002 "Standard ispuštanja zagađivača za komunalna postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda". Ovaj proces može učinkovito iskoristiti organsku tvar unutar sustava kao izvor ugljika za poboljšanje denitrifikacije, održavajući preko 50% uklanjanja TN čak i pri temperaturama vode od samo 0 stupnjeva.

Optimalni kapacitet pročišćavanja otpadnih voda za A2O-MBBR + CWs kombinirani proces zimi bio je 120 L/d i 180 L/d u ne-zimskim sezonama. Sezonske promjene temperature vode (postupno smanjenje od 32 stupnja do 0 stupnjeva) imale su samo određeni utjecaj na uklanjanje dušika kombiniranim procesom. Stopa uklanjanja TN smanjila se sa 79,19% na 51,38%, a NH₄⁺-Stopa uklanjanja N smanjena je s 99,52% na 74,77%. Čak i pri 0 stupnjeva, kvaliteta otpadne vode stabilno je zadovoljavala standard razreda A DB 34/3527-2019 i NH₄⁺-Stopa uklanjanja N i dalje je dosegla 74,77%. Ovo ima koristi od IFAS sustava, gdje je starost mulja do 1 mjeseca osigurala nitrifikaciju na niskim temperaturama. Proces je radio stabilno tijekom razdoblja ispitivanja, pokazujući jaku otpornost na promjene temperature vode.

Prethodni A2O-MBBR proces koristio je dvije vrste suspendiranih nosača biofilma za mikrobno pričvršćivanje, tvoreći IFAS sustav. Močvara podzemnog toka temeljena na ugljiku- koristila je višestruka punila za medije, uključujući mulj biougljen, vapnenac i zeolit, poboljšavajući njegovu učinkovitost filtracije dok je pružala veliku površinu za pričvršćivanje mikroorganizama, poboljšavajući svoj kapacitet biološke obrade. Prethodni A2O-MBBR proces s IFAS-om ima visoku koncentraciju biomase. Stražnja CWs kompozitna močvara služi kao stupanj obrade za poliranje, dodatno pročišćavajući otpadnu vodu, čineći cjelokupni sustav otpornijim na udarna opterećenja.

Kombinirani postupak A2O-MBBR + CWs prikladan je za pročišćavanje kućnih otpadnih voda u ruralnim područjima s velikim fluktuacijama u kvaliteti i količini. Radi stabilno i učinkovito, s cijenom tretmana od približno 0,46 CNY/m³. Štoviše, sekcije procesa A2O-MBBR+CWs mogu se fleksibilno prilagoditi prema različitim standardima otpadnih voda, scenarijima i namjenama. Ovaj kombinirani proces može pružiti referentne podatke i osnovu za ruralne projekte pročišćavanja kućnih otpadnih voda u Kini, ponuditi put iskorištavanja resursa za neiskorištene pustoši u ruralnim područjima i ima široki potencijal tržišne primjene u skladu s nacionalnim trendom (s velikim naglaskom na poboljšanje kvalitete ruralnog okoliša.