Μελέτη για την απόδοση αφαίρεσης αζώτου του MBBR για οιονεί-IV αναβάθμιση εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων στη Νοτιοδυτική Κίνα κατά τη διάρκεια του χειμώνα

Μελέτη για την απόδοση αφαίρεσης αζώτου του MBBR για οιονεί-IV αναβάθμιση μιας μονάδας επεξεργασίας λυμάτων στη Νοτιοδυτική Κίνα κατά τη διάρκεια του χειμώνα

Η νοτιοδυτική περιοχή της Κίνας είναι τεράστια, με σημαντικές διαφορές στις κλιματικές και γεωλογικές συνθήκες. Οι μεγάλες πηγές ποιότητας των λυμάτων οδηγούν σε μεγάλες διακυμάνσεις στην ποιότητα του νερού. Αν και αυτή η περιοχή βρίσκεται στα νότια, λόγω του συνολικού υψηλού υψομέτρου και του εδάφους, η θερμοκρασία των λυμάτων μπορεί να πέσει κάτω από 10 βαθμούς κατά την κρύα χειμερινή περίοδο. Σε συνδυασμό με το πολύπλοκο ανάγλυφο της περιοχής, με συνυφασμένα βουνά και βαθιές κοιλάδες, λόφους και πεδιάδες και μεγάλες θερμοκρασιακές διαφορές μεταξύ ημέρας και νύχτας, η καθημερινή διακύμανση της θερμοκρασίας των λυμάτων είναι επίσης εμφανής. Τα πολύπλοκα χαρακτηριστικά εισροής και η υπερβολικά χαμηλή θερμοκρασία του νερού το χειμώνα επιβάλλουν υψηλότερες απαιτήσεις στο σχεδιασμό και τη λειτουργία των σταθμών επεξεργασίας λυμάτων στην περιοχή αυτή. Στο πλαίσιο της αναβάθμισης και της ανακατασκευής των σταθμών επεξεργασίας οικιακών λυμάτων, είναι ακόμη πιο σημαντικό να επιλεγεί η κατάλληλη διαδικασία επεξεργασίας για αναβάθμιση στα νοτιοδυτικά εργοστάσια ώστε να διασφαλιστεί η σταθερή συμμόρφωση κατά την περίοδο χαμηλών{6}}θερμοκρασιών.

Η διαδικασία Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), με την προσθήκη αιωρούμενων φορέων σε μια σταθερή περιοχή, βελτιώνει τον εμπλουτισμό των λειτουργικών βακτηρίων και ενισχύει την αντίσταση σε χαμηλή-θερμοκρασία. Έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε έργα αναβάθμισης σταθμών επεξεργασίας λυμάτων. Επί του παρόντος, η κλίμακα εφαρμογής της διαδικασίας MBBR στην Κίνα έχει υπερβεί τα 2,5×107 m³·d-1 και το MBBR έχει συμπεριληφθεί ως "ευρέως χρησιμοποιούμενη και ασφαλής και αξιόπιστη διαδικασία" στο πρόσφατα αναθεωρημένο "Πρότυπο Σχεδιασμού Εξωτερικών Αποχετεύσεων" (GB 50014-2021). Η ευρεία εφαρμογή της διαδικασίας έχει επίσης προωθήσει{10}την ταχεία παρακολούθηση της έρευνας. Τα ερευνητικά hotspot στη διαδικασία MBBR επικεντρώνονται κυρίως στην ανάλυση σχεδίασης διεργασιών, στην έρευνα εργαστηριακού μηχανισμού και στην παρακολούθηση μηχανικών αποτελεσμάτων. Τα σχετικά συμπεράσματα περιλαμβάνουν κυρίως τη βιοχημική απόδοση που ενισχύει το MBBR, την αντοχή σε κρούση που βελτιώνει το βιοφίλμ και την αντίσταση σε χαμηλές{13}θερμοκρασίες, τον εμπλουτισμό λειτουργικών βακτηρίων που ενισχύει το MBBR και την αφαίρεση αζώτου που ενισχύει το βιοφίλμ SND. Για παράδειγμα, οι Huang Qing et al. διαπίστωσε ότι μετά την αναβάθμιση με τη διαδικασία MBBR, η αντοχή στην κρούση της μονάδας επεξεργασίας λυμάτων βελτιώθηκε σημαντικά και τα λύματα θα μπορούσαν να πληρούν σταθερά τα πρότυπα ακόμη και υπό μακροχρόνιες υπερβάσεις εισροής BOD και TN. Οι Liu Qiang et al. διαπίστωσε ότι η διαδικασία MBBR ενίσχυσε σημαντικά την ικανότητα επεξεργασίας της μονάδας σε χαμηλές θερμοκρασίες και τα λύματα θα μπορούσαν να πληρούν σταθερά τα πρότυπα σχεδιασμού σε χαμηλές θερμοκρασίες 9-11 βαθμών. Οι Luan Zhixiang et al. διαπίστωσε ότι μετά την αναβάθμιση μιας βόρειας μονάδας επεξεργασίας λυμάτων με τη διαδικασία MBBR, η αερόβια ζώνη MBBR μπορούσε να αφαιρέσει το 20,12% του TN μέσω SND αιωρούμενων φορέων. Οι Han Wenjie et al. συνέκρινε πέντε εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων με υβριδικές διεργασίες MBBR στην περιοχή Δέλτα του ποταμού Yangtze υπό χαμηλές χειμερινές θερμοκρασίες και διαπίστωσε ότι η προσθήκη αιωρούμενων φορέων αύξησε σημαντικά τη βιομάζα των νιτροποιητικών βακτηρίων στο σύστημα, με τους αιωρούμενους φορείς να εμπλουτίζουν 86.12%–95,36% των νιτροποιητικών βακτηρίων. Ωστόσο, η υπάρχουσα έρευνα εξακολουθεί να έχει ορισμένους περιορισμούς. Για παράδειγμα, ένας μεγάλος αριθμός μελετών διαχωρίζει τη σχεδίαση MBBR από τη λειτουργική απόδοση, χωρίς συγκριτική επαλήθευση του σχεδιασμού και της απόδοσης για το ίδιο έργο. Όσον αφορά την αντοχή σε κρούση του MBBR, είναι διαθέσιμα μόνο «ποιοτικά αλλά όχι ποσοτικά» συμπεράσματα, χωρίς ποσοτικό συμπέρασμα για το μέγιστο φορτίο ανοχής. Όσον αφορά το φαινόμενο SND, είναι μόνο «μετρήσιμο αλλά όχι ελεγχόμενο», χωρίς άμεση επαλήθευση της πηγής απομάκρυνσης του αζώτου μέσω σχεδιασμένων μακροπειραμάτων, ούτε ορθολογικές προτάσεις λειτουργίας από την άποψη του μηχανικού ελέγχου.

Με βάση τους περιορισμούς της υπάρχουσας έρευνας, αυτή η μελέτη λαμβάνει ως παράδειγμα την αναβάθμιση μιας μονάδας επεξεργασίας λυμάτων CASS στη Νοτιοδυτική Κίνα για να εξηγήσει τις αρχές σχεδιασμού και τη λογική της διαδικασίας MBBR. Σε συνδυασμό με την πραγματική απόδοση του συστήματος κάτω από τις πιο δυσμενείς χειμερινές συνθήκες, αναλύθηκε ο ορθολογισμός του σχεδιασμού MBBR. Το δυναμικό επεξεργασίας του συστήματος αναλύθηκε ποσοτικά μέσω αλλαγών στην ποιότητα του νερού κατά μήκος της βιολογικής δεξαμενής και εργαστηριακών δοκιμών υψηλού υποστρώματος. Μια εργαστηριακή δοκιμή απονιτροποίησης χρησιμοποιώντας αερόβιο βιοφίλμ σχεδιάστηκε για να επαληθεύσει άμεσα την πηγή του φαινομένου SND στο υβριδικό σύστημα MBBR. Μελετήθηκε η επίδραση των μηχανικών λειτουργικών παραμέτρων στην επίδραση SND του συστήματος MBBR και σε συνδυασμό με την προσαρμογή δεδομένων, προτάθηκαν προτάσεις βελτιστοποίησης λειτουργίας για το SND. Οι διαφορές στην κατανομή της μικροβιακής κοινότητας μεταξύ λάσπης και βιοφίλμ αναλύθηκαν από την άποψη της βακτηριακής σύνθεσης και οι μικροσκοπικοί παράγοντες επιρροής του SND αναλύθηκαν από τους τύπους και τη σχετική αφθονία των αερόβιων βακτηρίων απονιτροποίησης. Ελπίζεται ότι αυτή η έρευνα μπορεί να αποτελέσει αναφορά για το σχεδιασμό διεργασιών MBBR άλλων παρόμοιων μονάδων επεξεργασίας λυμάτων, να παρέχει βασικά δεδομένα για τη σταθερή λειτουργία των μονάδων MBBR και να παρέχει προτάσεις λειτουργίας για την αποτελεσματική απόδοση του SND σε συστήματα MBBR.

1 Υλικά και Μέθοδοι

1.1 Επισκόπηση έργου

Μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων στη Νοτιοδυτική Κίνα, με χωρητικότητα σχεδιασμού 1×105 m3·d-1, τα απόβλητα απαιτούνταν να πληρούν το πρότυπο Κατηγορίας Α του "Πρότυπου Απόρριψης Ρύπων για Εγκατάσταση Επεξεργασίας Αστικών Λυμάτων" (GB 18918-2002). Λόγω περιορισμών χρήσης γης κατά την πρώιμη κατασκευή, υιοθετήθηκε μια διαδικασία CASS χωρίς παραδοσιακές δεξαμενές δευτερεύουσας καθίζησης. Ωστόσο, κατά τη λειτουργία, παρουσιάστηκαν προβλήματα όπως η ανεπαρκής νιτροποίηση σε χαμηλές θερμοκρασίες το χειμώνα, η κακή καθίζηση της λάσπης και η μειωμένη απόδοση επεξεργασίας. Το 2019, το εργοστάσιο αναβαθμίστηκε σε πρότυπα σχεδόν κατηγορίας IV. Η αναβάθμιση έπρεπε να λάβει υπόψη τόσο την αύξηση της συγκέντρωσης εισερχόμενου αζώτου όσο και τη βελτίωση των προτύπων των εκροών. Το σχέδιο εισροής και η ποιότητα των λυμάτων πριν και μετά την ανακατασκευή παρουσιάζονται στοΠίνακας 1. Με βάση το γεγονός ότι τα εισερχόμενα φορτία NH3-N και TN αυξήθηκαν κατά 66,67% και 62,16% αντίστοιχα, ο άνθρακας, το άζωτο, ο φώσφορος κ.λπ. έπρεπε να αναβαθμιστούν από την Κατηγορία Α της GB 18918{10}}Κλάσης IV για Standards vironmental "2002" Επιφανειακά Νερά» (GB 3838-2002), που ισοδυναμεί με αύξηση των φορτίων νιτροποίησης και απονιτροποίησης κατά 127,27% και 94%, αντίστοιχα. Αυτό το έργο υιοθέτησε τη διαδικασία Bardenpho-MBBR, μετατρέποντας την αρχική δεξαμενή CASS σε βιολογική δεξαμενή και δεξαμενή καθίζησης.

Μετά την ανακατασκευή, για την απομάκρυνση του αζώτου, η ενεργοποιημένη ιλύς συνέχισε να παίζει τον κύριο ρόλο. Ο χρόνος συγκράτησης απονιτροποίησης της αρχικής δεξαμενής CASS επεκτάθηκε από 3,78 ώρες σε 6,35 ώρες και το ογκομετρικό φορτίο απονιτροποίησης της ενεργοποιημένης λάσπης αυξήθηκε από 0,140 σε 0,189 kg·(m3·d)-1. Για να βελτιωθεί η απονιτροποίηση της ενεργοποιημένης λάσπης, δημιουργήθηκαν ζώνες προ-ανοξικής και μετα-ανοξικής με χρόνους συγκράτησης 4,23 ώρες και 2,12 ώρες, αντίστοιχα. Η μετα{11}}ανοξική ζώνη χρησιμοποίησε προσθήκη εξωτερικής πηγής άνθρακα για να ενισχύσει την απονιτροποίηση για να λύσει το πρόβλημα της ανεπαρκούς πηγής άνθρακα στο ακατέργαστο νερό. Για τη νιτροποίηση, ο χρόνος συγκράτησης της νιτροποίησης της αρχικής δεξαμενής CASS μειώθηκε από 7,55 ώρες σε 4,23 ώρες, ενώ το φορτίο νιτροποίησης χρειάστηκε να αυξηθεί σημαντικά από 0,079 σε 0,275 kg·(m3·d)-1. Για να ενισχυθεί το αποτέλεσμα νιτροποίησης, προστέθηκαν αιωρούμενοι φορείς στην αερόβια ζώνη για να σχηματίσουν μια αερόβια ζώνη MBBR. Οι φορείς που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τύπου SPR-III, με διάμετρο (25±0,5) mm και πάχος (10±1) mm. Μετά την προσάρτηση του βιοφίλμ, η πυκνότητα ήταν κοντά σε αυτή του νερού και η αποτελεσματική ειδική επιφάνεια ήταν μεγαλύτερη από 800 m²·m-3, πληρώντας το βιομηχανικό πρότυπο "Υψηλής{26}}πυκνότητας αιωρούμενος φορέας πολυαιθυλενίου για επεξεργασία νερού" (CJ/T461-2014). Το βιοφίλμ στους αιωρούμενους φορείς εμφανίστηκε σκούρο γκρι μετά την προσάρτηση (Εικόνα 1). Η ζώνη MBBR χρησιμοποιούσε μόνο διάτρητο αερισμό για την παροχή υδραυλικής διάτμησης, ελέγχοντας το πάχος του βιοφίλμ στα (208,82±37,57) μm, παρέχοντας καλές συνθήκες για μεταφορά μάζας και μεταφορά οξυγόνου.

1.2 Προσδιορισμός Αφαίρεσης Αζώτου στη Βιολογική Δεξαμενή

Για να κατανοήσουμε τη διαδρομή αφαίρεσης αζώτου σε κάθε λειτουργική ζώνη της βιολογικής δεξαμενής σε χαμηλές χειμερινές θερμοκρασίες μετά την ανακατασκευή, η ποιότητα του νερού κατά μήκος της βιολογικής δεξαμενής παρακολουθούνταν καθημερινά από τις 15 Δεκεμβρίου 2020 έως τις 22 Δεκεμβρίου 2020. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η θερμοκρασία του νερού στη βιολογική δεξαμενή ήταν 9,5–10,2 βαθμούς . Τα δείγματα περιελάμβαναν εισροή της βιολογικής δεξαμενής, απόβλητο της αναερόβιας ζώνης, απόβλητο της ανοξικής ζώνης, απόβλητο της ζώνης MBBR, απόβλητο της μετα-ανοξικής ζώνης, απόβλητο της μετα-αερόβιας ζώνης και απόβλητο της δεξαμενής καθίζησης. Τα δείγματα λαμβάνονταν κάθε 2-3 ώρες. Μετά τη συλλογή, τα δείγματα υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία αμέσως. Μετά την καθίζηση, το υπερκείμενο συλλέχτηκε και τρία δείγματα αναμίχθηκαν σε ίσες ποσότητες για να προσδιοριστούν τα NH3-N, NO3-N, TN και COD, επαληθεύοντας την οδό απομάκρυνσης του ρύπου και το φορτίο νιτροποίησης/απονιτροποίησης κάθε λειτουργικής ζώνης.

1.3 Προσδιορισμός του δυναμικού νιτροποίησης του συστήματος MBBR και του ποσοστού συνεισφοράς των αναρτημένων φορέων

Για την επαλήθευση του μέγιστου φορτίου ανοχής του υπάρχοντος συστήματος MBBR, διεξήχθη εργαστηριακή δοκιμή νιτροποίησης στις 27 και 28 Φεβρουαρίου 2021. Οι αιωρούμενοι φορείς και η ενεργοποιημένη λάσπη από την αερόβια ζώνη της εγκατάστασης συλλέγονταν καθημερινά για να προσομοιωθεί η αντίσταση κρούσης του συστήματος MBBR όταν το εισερχόμενο φορτίο αυξανόταν το χειμώνα. Η εργαστηριακή δοκιμή προσομοίωσε την πραγματική εισροή της ζώνης MBBR κατά μήκος της διαδρομής ροής. Το υπερκείμενο υγρό του εκρέοντος ανοξικής ζώνης μετά την καθίζηση χρησιμοποιήθηκε και το ΝΗ3-Ν και η αλκαλικότητα συμπληρώθηκαν με προσθήκη χλωριούχου αμμωνίου και διττανθρακικού νατρίου ως εισροής για τη δοκιμή. Η συσκευή δοκιμής νιτροποίησης εμφανίζεται στοΕικόνα 2. Το καθαρό-βιοφίλμ, η καθαρή-λάσπη και τα υβριδικά συστήματα δημιουργήθηκαν με τη σειρά. Η συγκέντρωση της λάσπης και η αναλογία πλήρωσης του φορέα ήταν σύμφωνα με τις πραγματικές συνθήκες της βιολογικής δεξαμενής. Για να αξιοποιηθεί πλήρως το δυναμικό νιτροποίησης του συστήματος MBBR και να ενισχυθεί η μεταφορά μάζας και η μεταφορά οξυγόνου, η συγκέντρωση εισερχόμενου NH3-N αυξήθηκε από περίπου 10 mg·L-1 κατά μήκος της διαδρομής ροής σε περίπου 25 mg·L-1, και το DO αυξήθηκε από 2-4 mg·L-1 κατά μήκος της διαδρομής ροής περίπου από 2-4 mg·L-1. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, η θερμοκρασία του νερού ήταν 9,7–10,4 βαθμούς. Οι αντλίες αερισμού και οι δημιουργοί κυμάτων χρησιμοποιήθηκαν για τη διατήρηση της οξυγόνωσης του συστήματος και της ρευστοποίησης του φορέα. Λαμβάνονταν δείγματα κάθε 30 λεπτά και υποβάλλονταν σε προκατεργασία για να προσδιοριστεί η αλλαγή στη συγκέντρωση αζώτου αμμωνίας. Σύμφωνα με τις αναφερόμενες μεθόδους, η μέθοδος υπολογισμού του φορτίου βιοφίλμ στο υβριδικό σύστημα MBBR παρουσιάζεται στις εξισώσεις (1) και (2).

Όπου: N2 είναι το ογκομετρικό φορτίο νιτροποίησης του βιοφίλμ στο υβριδικό σύστημα, kg·(m3·d)-1. Το Ν1 είναι το συνολικό ογκομετρικό φορτίο νιτροποίησης του υβριδικού συστήματος MBBR, kg·(m3·d)-1. Το N3 είναι το ογκομετρικό φορτίο νιτροποίησης της ενεργοποιημένης λάσπης, kg·(m3·d)-1. η είναι το ποσοστό συνεισφοράς νιτροποίησης των ανεσταλμένων φορέων, %.

1.4 Επαλήθευση και Ανάλυση Ελέγχου Βελτιστοποίησης του SND στο Σύστημα MBBR

Για το φαινόμενο ταυτόχρονης νιτροποίησης και απονιτροποίησης (SND) στο σύστημα MBBR, για την άμεση επαλήθευση της πηγής του φαινομένου SND, πραγματοποιήθηκε εργαστηριακή δοκιμή απονιτροποίησης χρησιμοποιώντας καθαρό βιοφίλμ MBBR στις 28 Φεβρουαρίου 2021. Συλλέχθηκαν αιωρούμενοι φορείς από την αερόβια ζώνη. Η αναλογία πλήρωσης φορέα ήταν συνεπής με τις πραγματικές συνθήκες της βιολογικής δεξαμενής. Η εισροή για τη δοκιμή παρασκευάστηκε με προσθήκη νιτρικού καλίου στο εισερχόμενο ακατέργαστο νερό του φυτού. Λαμβάνονταν δείγματα κάθε 20 λεπτά και προκατεργάζονταν για να προσδιοριστεί η συγκέντρωση νιτρικού αζώτου.

Από την 1η Δεκεμβρίου 2020 έως τις 28 Φεβρουαρίου 2021, η ποιότητα του νερού και οι παράμετροι λειτουργίας της ζώνης MBBR μετά την ανακατασκευή παρακολουθούνταν καθημερινά καθ' όλη τη διάρκεια του χειμώνα. Τα δείγματα περιελάμβαναν απόβλητα της ανοξικής ζώνης και απόβλητα της ζώνης MBBR. Τα δείγματα λαμβάνονταν κάθε 2-3 ώρες. Μετά τη συλλογή, τα δείγματα υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία αμέσως. Μετά την καθίζηση, το υπερκείμενο συλλέχθηκε και τρία δείγματα αναμίχθηκαν σε ίσες ποσότητες για τον προσδιορισμό των TN, NH3-N, NO3-N και COD. Ταυτόχρονα μετρήθηκε το επίπεδο DO στην αερόβια ζώνη MBBR. Τα μετρούμενα δεδομένα υποβλήθηκαν σε ανάλυση κύριου συστατικού (PCA) για να επαληθευτούν οι κύριες παράμετροι απόκρισης που επηρεάζουν το φαινόμενο SND στην αερόβια ζώνη. Οι βέλτιστες παράμετροι ελέγχου προσδιορίστηκαν μέσω ανάλυσης προσαρμογής για να παρέχουν μια βάση για τον έλεγχο της κλίμακας-του SND.

1.5 Υψηλή-Αλληλουχία μικροοργανισμών στη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων

Για να αναλυθούν οι διαφορές μεταξύ των φάσεων λάσπης και βιοφίλμ στο σύστημα MBBR όσον αφορά τη μικροβιακή ποικιλομορφία, τα κυρίαρχα είδη και την αποτελεσματικότητα εμπλουτισμού των λειτουργικών βακτηρίων και για την μικροσκοπική επαλήθευση της πηγής SND, η ενεργοποιημένη ιλύς και οι αιωρούμενοι φορείς από το σύστημα MBBR συλλέχθηκαν με ένα σετ δείγματος στις 2,21 Φεβρουαρίου, 21. υψηλής-αλληλουχίας 16S rDNA ενισχυτών. Αυτή τη στιγμή, το σύστημα είχε βιώσει ολόκληρο τον χειμώνα και η σύνθεση της μικροβιακής κοινότητας θα μπορούσε να αντικατοπτρίζει καλύτερα την πραγματική κατάσταση υπό συνθήκες χαμηλής- θερμοκρασίας. Οι συγκεκριμένες μέθοδοι για τον προσδιορισμό και την ανάλυση υψηλής απόδοσης-παραπέμπουν σε βιβλιογραφία που έχει αναφερθεί προηγουμένως.

1.6 Συμβατικές μέθοδοι προσδιορισμού της ποιότητας του νερού

Όλες οι παράμετροι ποιότητας του νερού που εμπλέκονται σε αυτή τη μελέτη προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας τυπικές μεθόδους. Το COD προσδιορίστηκε με την εθνική τυπική μέθοδο. Το NH3-N προσδιορίστηκε με τη φασματοφωτομετρική μέθοδο αντιδραστηρίου Nessler. Το ΝΟ3-Ν προσδιορίστηκε με την υπεριώδη φασματοφωτομετρική μέθοδο. Η ΤΝ προσδιορίστηκε με την αλκαλική πέψη με υπερθειικό κάλιο-φασματοφωτομετρική μέθοδο UV. Η ΤΡ προσδιορίστηκε με τη φασματοφωτομετρική μέθοδο μολυβδαινικού αμμωνίου. Το DO και η θερμοκρασία του νερού μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας φορητό μετρητή διαλυμένου οξυγόνου.

2 Αποτελέσματα και συζήτηση

2.1 Συνολικό αποτέλεσμα θεραπείας σε συνθήκες χαμηλής- θερμοκρασίας πριν και μετά την ανακατασκευή

Αρχικά, συγκρίθηκε η συνολική επίδραση επεξεργασίας του συστήματος σε χαμηλές θερμοκρασίες χειμώνα πριν και μετά την ανακατασκευή (2018-12-01 έως 2019-02-28, 2020-12-01 έως 2021-02-28). Πριν και μετά την ανακατασκευή, η θερμοκρασία του νερού το χειμώνα διατηρήθηκε βασικά στους 9-13 βαθμούς. Πριν από την ανακατασκευή, η χειμερινή ροή ήταν (9,12±0,58)×104 m3·d-1, και μετά την ανακατασκευή, αυξήθηκε σε (9,42±0,44)×104 m3·d-1. Όπως φαίνεται στοΕικόνα 3(α)-(δ), μετά την ανακατασκευή, τα μέσα εισερχόμενα φορτία COD και BOD5 αυξήθηκαν κατά 16,82% και 26,97%, αντίστοιχα, σε σύγκριση με πριν από την ανακατασκευή, αλλά η εκροή μειώθηκε σε (20,04±2,38) και (4,47±0,84) mg·L, αντίστοιχα, σε (20,04±2,38) και (4,47±0,84) mg·L, αντίστοιχα, αντίστοιχα. Μετά την ανακατασκευή, το μέσο εισερχόμενο φορτίο TP αυξήθηκε κατά 23,40% σε σύγκριση με πριν από την ανακατασκευή, αλλά η ΤΡ εκροής θα μπορούσε να είναι ακόμα τόσο χαμηλή όσο (0,26±0,02) mg·L-1. Μετά την ανακατασκευή, το εισερχόμενο φορτίο SS ήταν ελαφρώς χαμηλότερο από πριν, αλλά το SS εκροής μειώθηκε περισσότερο από 17,51% σε σύγκριση με πριν, σε (3,44±1,17) mg·L-1, με μέγιστο μόνο 4,75 mg·L-1.

Το κύριο χαρακτηριστικό αυτού του έργου μετά την ανακατασκευή ήταν η ενίσχυση της ικανότητας αφαίρεσης αζώτου. Μετά την ανακατασκευή, τα μέσα εισερχόμενα φορτία NH3-N και TN αυξήθηκαν κατά 21,56% και 19,79%, αντίστοιχα, σε σύγκριση με πριν από την ανακατασκευή, αλλά η εκροή μειώθηκε σε (0,94±0,22) και (8,59±0,64) mg·L-1, αντίστοιχα, σε (0,94±0,22) και (8,59±0,64) mg·L-1, αντίστοιχα, αντίστοιχα. Η μέγιστη εκροή NH3-N ήταν μόνο 1,33 mg·L-1, και η μέγιστη ΤΝ ήταν μόνο 9,7 mg·L-1. Για την απομάκρυνση του αζώτου, δεδομένου ότι η ενεργοποιημένη ιλύς εξακολουθούσε να παίζει τον βασικό ρόλο μετά την ανακατασκευή, με βάση τη σημαντική επέκταση του χρόνου ανοξικής κατακράτησης, το πραγματικό ογκομετρικό φορτίο χειμερινής απονιτροποίησης του συστήματος πριν και μετά την ανακατασκευή δεν άλλαξε πολύ. Για τη νιτροποίηση, μετά την ανακατασκευή, το αποτέλεσμα νιτροποίησης ενισχύθηκε με την προσθήκη αιωρούμενων φορέων για να σχηματιστεί ένα υβριδικό σύστημα MBBR για την ενίσχυση της απομάκρυνσης NH3-N. Με βάση τη σημαντική μείωση του αερόβιου χρόνου συγκράτησης, το πραγματικό φορτίο νιτροποίησης το χειμώνα αυξήθηκε από 0,081 σε 0,182 kg·(m3·d)-1 μετά την ανακατασκευή, μια αύξηση 124,69% σε σύγκριση με πριν από την ανακατασκευή. Η εφαρμογή της διαδικασίας MBBR σε αυτό το έργο πέτυχε σημαντική βελτίωση στην απόδοση νιτροποίησης.

2.2 Ανάλυση της απόδοσης αφαίρεσης αζώτου του συστήματος, του δυναμικού και του ρόλου των αιωρούμενων φορέων

Για να προσδιοριστεί περαιτέρω το αποτέλεσμα απομάκρυνσης αζώτου κάθε λειτουργικής ζώνης στο βιολογικό τμήμα μετά την ανακατασκευή, παρακολουθήθηκε η ποιότητα του νερού κατά μήκος της βιολογικής δεξαμενής και η διαδρομή αφαίρεσης αζώτου κάθε λειτουργικής ζώνης μετά την ανακατασκευή αναλύθηκε μέσω των παραμέτρων μέσης ποιότητας νερού κάθε λειτουργικού τμήματος. Όπως φαίνεται στοΕικόνα 4, κατά τη διάρκεια της περιόδου μέτρησης, οι μέσες πραγματικές συγκεντρώσεις εισροής TN, NH3-N και COD της βιολογικής δεξαμενής ήταν 43,59, 38,50 και 278,00 mg·L-1, αντίστοιχα, και τα απόβλητα TN, NH3 και COD μειώθηκαν σε .7,3, και COD σε {{4}N. 24,46 mg·L-1, αντίστοιχα. Για την απομάκρυνση του ΤΝ, ο ρυθμός απομάκρυνσης ΤΝ συστήματος που υπολογίστηκε από τις συγκεντρώσεις ΤΝ εισροής και εκροής ήταν 78,95±6,01% και η απομάκρυνση έγινε κυρίως στην προ{11}ανοξική ζώνη, με ποσότητα απομάκρυνσης αζώτου 27,51 mg·L-1. Το φορτίο απονιτροποίησης και ο ρυθμός συμβολής ήταν 0,149 kg·(m3·d)-1 και 79,16%±2,24%, αντίστοιχα. Σε συνδυασμό με την αλλαγή στη συγκέντρωση COD, το COD/TN που καταναλώθηκε για απονιτροποίηση στην προ{18}ανοξική ζώνη ήταν 5,22±0,21. Η μετα{21}}ανοξική ζώνη χρησιμοποιούσε εξωτερικό οξικό νάτριο για απονιτροποίηση, με ποσότητα αφαίρεσης αζώτου και φορτίο 4,35 mg·L-1 και 0,024 kg·(m3·d)-1, αντίστοιχα. Το υπολογισμένο COD/TN που καταναλώθηκε για απονιτροποίηση ήταν 4,66±0,57. Το οξικό νάτριο, ως μικρό μοριακό άλας οργανικού οξέος, χρησιμοποιείται εύκολα από μικροοργανισμούς και έχει υψηλότερη απόδοση απονιτροποίησης από τη σύνθετη πηγή οργανικού άνθρακα στο ακατέργαστο νερό. Μετά την ανακατασκευή, η εισροή είχε καλή βιοδιασπασιμότητα και οι απαιτήσεις απονιτροποίησης μπορούσαν βασικά να ικανοποιηθούν μόνο μέσω της προ{28}ανοξικής ζώνης, μειώνοντας έτσι την πίεση στην μετα-ανοξική απονιτροποίηση και την ποσότητα της εξωτερικής πηγής άνθρακα. Για την αφαίρεση NH3-N, το DO στη ζώνη MBBR κατά τη διάρκεια της πραγματικής λειτουργίας ήταν 2-4 mg·L-1, και ο ρυθμός απομάκρυνσης NH3-N του συστήματος υπολογίστηκε από τις συγκεντρώσεις εισροής και εκροής NH3-N ήταν 98,67%±3,1%.

Στην πραγματική λειτουργία των σταθμών επεξεργασίας λυμάτων, συχνά συμβαίνουν διαταραχές ποιότητας που οφείλονται σε φυσικούς παράγοντες όπως βροχοπτώσεις και τήξη χιονιού, βιομηχανικούς παράγοντες όπως αυξημένες βιομηχανικές επιχειρήσεις ή προσωρινές επιχειρηματικές ανωμαλίες και κοινωνικούς παράγοντες όπως διακοπές και ειδικές εκδηλώσεις. Η βελτίωση της αντοχής στην κρούση του συστήματος βιολογικού καθαρισμού έχει γίνει το κλειδί για την ασφαλή και σταθερή λειτουργία της μονάδας. Για την επαλήθευση του μέγιστου φορτίου ανοχής του συστήματος, πραγματοποιήθηκε εργαστηριακή δοκιμή νιτροποίησης κάτω από υψηλό υπόστρωμα και υψηλό DO. Ταυτόχρονα, για να επαληθευτεί ο πραγματικός ρόλος των αιωρούμενων φορέων στο υβριδικό σύστημα MBBR, δημιουργήθηκαν δύο ομάδες πειραμάτων (υβριδικό, καθαρό-βιοφίλμ και καθαρή-λάσπη). Οι αλλαγές στο NH3-N σε κάθε σύστημα κατά τη διάρκεια της δοκιμής φαίνονται στοΕικόνα 5. Με εισερχόμενο NH3-N στα 25 mg·L-1, το υβριδικό και το καθαρό σύστημα-biofilm μείωσαν το NH3-N κάτω από 1,5 mg·L-1 σε 2,5 και 3,0 ώρες, αντίστοιχα, ενώ το καθαρό σύστημα {8} είχε πολύ πιο αργή μείωση{8} NH3-N καθ' όλη τη διάρκεια της δοκιμαστικής περιόδου. Τα υπολογιζόμενα μέσα ογκομετρικά φορτία νιτροποίησης της καθαρής-λάσπης, της καθαρής-βιοφίλμ και των υβριδικών συστημάτων ήταν 0,072, 0,215 και 0,286 kg·(m3·d)-1, αντίστοιχα. Σύμφωνα με την εξίσωση (1), υπό την παρουσία ενεργοποιημένης λάσπης, το ογκομετρικό φορτίο των αιωρούμενων φορέων στο σύστημα MBBR ήταν 0,214 kg·(m3·d)-1, το οποίο δεν ήταν σημαντικά διαφορετικό από το μετρούμενο φορτίο της καθαρής{{19} ομάδας βιοφίλμ. Σε σύγκριση με άλλες εγκαταστάσεις που χρησιμοποιούν την υβριδική διεργασία MBBR, με παρόμοιες αναλογίες πλήρωσης φορέα, το μέγιστο φορτίο νιτροποίησης των αιωρούμενων φορέων σε αυτό το έργο ήταν επίσης σε σχετικά υψηλό επίπεδο, το οποίο μπορεί να σχετίζεται με την περαιτέρω ενίσχυση της μεταφοράς μάζας των αιωρούμενων φορέων και την αυξημένη δραστηριότητα λειτουργικών βακτηρίων υπό συνθήκες υψηλής εισροής φορτίου. Επιπλέον, με τον συνδυασμό της ενεργοποιημένης λάσπης, το μέγιστο ογκομετρικό φορτίο νιτροποίησης υπό συνθήκες υψηλού υποστρώματος και υψηλού DO έφτασε τα 0,286 kg·(m3·d)-1, ικανοποιώντας και υπερβαίνοντας το φορτίο σχεδιασμού (0,275 kg·(m3·d)-1), ικανοποιώντας τις προσδοκίες σχεδιασμού.

Για να αναλυθεί ποσοτικά το μέγιστο φορτίο ανοχής του βιολογικού συστήματος σε αυτό το έργο, με βάση το ογκομετρικό φορτίο του υβριδικού συστήματος που μετρήθηκε στην εργαστηριακή δοκιμή, σε συνδυασμό με τα δεδομένα ποιότητας του εισερχόμενου νερού κατά μήκος της διαδρομής ροής, το σύστημα θα μπορούσε να αντέξει μια μέγιστη ικανότητα επεξεργασίας 1,23×105 m3·d-1 (υπολογισμένη σχέση γραμμικής ενυδάτωσης και άθροισης θετικής φόρτισης του συστήματος χρόνο) διασφαλίζοντας τη σταθερή συμμόρφωση με τα λύματα NH3-N. Πρόκειται για αύξηση 30,57% σε σύγκριση με την πραγματική ικανότητα χειμερινής επεξεργασίας αυτού του έργου, με τον χρόνο συγκράτησης του υδραυλικού συστήματος να μειώνεται περαιτέρω στις 3,43 ώρες. Ομοίως, με βάση την πραγματική ικανότητα επεξεργασίας μετά την ανακατασκευή, η ανεκτή συγκέντρωση εισροής NH3-N της βιολογικής δεξαμενής ήταν τόσο υψηλή όσο 55 mg·L-1, μια αύξηση 56,96% σε σύγκριση με τη μέση πραγματική χειμερινή εισροή NH3-N αυτού του έργου.

Όσον αφορά τον ρόλο των αιωρούμενων φορέων στο υβριδικό σύστημα MBBR αυτού του έργου, σύμφωνα με την εξίσωση (2), το ποσοστό συμβολής νιτροποίησης του αιωρούμενου βιοφίλμ φορέα σε αυτό το έργο ήταν 74,83%. Μπορεί να φανεί ότι υπό συνθήκες χαμηλής-θερμοκρασίας, οι αιωρούμενοι φορείς έχουν γίνει ο κυρίαρχος παράγοντας νιτροποίησης στο υβριδικό σύστημα MBBR. Σε συνδυασμό με βιβλιογραφικές αναφορές, αναλύεται ότι σε χαμηλές χειμερινές θερμοκρασίες, το σύστημα ενεργοποιημένης λάσπης, που περιορίζεται από τη χαλαρή δομή και την υψηλή ειδική επιφάνεια, έχει καλή απόδοση απαγωγής θερμότητας και κακή θερμομόνωση για εσωτερικούς μικροοργανισμούς, οδηγώντας σε μειωμένη απόδοση νιτροποίησης. Αντίθετα, το βιοφίλμ στους αναρτώμενους φορείς, επωφελούμενο από την πυκνή του δομή και την υψηλή προστασία EPS, παρέχει καλή θερμομόνωση για το εσωτερικό στρώμα του βιοφίλμ, εξασφαλίζοντας έτσι καλή απόδοση νιτροποίησης σε συνθήκες χαμηλής- θερμοκρασίας. Επιπλέον, τα αποτελέσματα μέτρησης ροής κατά μήκος αυτού του έργου έδειξαν σημαντικό φαινόμενο αφαίρεσης TN στη ζώνη MBBR. Σε συνδυασμό με τη μεταβολή στη συγκέντρωση NH3-Ν κατά μήκος της αερόβιας ζώνης και την αναλογία ανακυκλοφορίας, η υπολογιζόμενη απομάκρυνση ΤΝ ήταν (3,42±0,11) mg·L-1, με ποσοστό συνεισφοράς 9,83%±0,67%, υποδεικνύοντας την ύπαρξη επίδρασης SND στο σύστημα.

2.3 Επαλήθευση της επίδρασης SND και ανάλυση των παραγόντων που επηρεάζουν

Επί του παρόντος, οι περισσότερες εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων που εφαρμόζουν τη διαδικασία MBBR μπορούν να παρατηρήσουν την αφαίρεση αζώτου στην αερόβια ζώνη, αφαιρώντας γενικά 3-8 mg·L-1 TN. Ο λόγος για αυτό το φαινόμενο αποδίδεται κυρίως στο φαινόμενο SND του βιοφίλμ. Δηλαδή, καθώς εξασθενεί η ικανότητα διείσδυσης του διαλυμένου οξυγόνου, σχηματίζεται ένα ανοξικό/υποξικό στρώμα στο εσωτερικό στρώμα του βιοφίλμ, παρέχοντας συνθήκες για τον εμπλουτισμό των απονιτροποιητικών βακτηρίων, θέτοντας έτσι τα θεμέλια για την απομάκρυνση του αζώτου SND.

Για να επιβεβαιωθεί περαιτέρω η πηγή του αερόβιου SND, διεξήχθη εργαστηριακή δοκιμή απονιτροποίησης χρησιμοποιώντας αερόβιο βιοφίλμ, όπως φαίνεται στοΕικόνα 6. Καθ' όλη τη διάρκεια της δοκιμαστικής περιόδου, η μείωση στο NO3-Ν ήταν σχετικά ήπια και ομοιόμορφη, με το σύστημα να αφαιρεί 3,72 mg·L-1 νιτρικού αζώτου σε 120 λεπτά. Ο μέσος όρος C/N που καταναλώθηκε από το σύστημα ήταν 3,43±0,05. Θεωρητικά, το C/N που απαιτείται για την απονιτροποίηση είναι 2,86. Λαμβάνοντας υπόψη την κατανάλωση με βιολογική αφομοίωση και DO στο ακατέργαστο νερό, το απαιτούμενο C/N φθάνει γενικά πάνω από 4. Ωστόσο, το C/N που απαιτείται για την απομάκρυνση του αζώτου από τους αιωρούμενους φορείς σε αυτό το έργο ήταν χαμηλότερο από αυτό που καταναλώθηκε από τη γενική μικροβιακή απονιτροποίηση. Εικάζεται ότι όταν οι αιωρούμενοι φορείς στη ζώνη MBBR ασκούν απομάκρυνση αζώτου SND, χρησιμοποιούν κυρίως εσωτερικές πηγές άνθρακα που παράγονται από τη γήρανση και τη λύση του βιοφίλμ ως δότες ηλεκτρονίων, επομένως ο ρυθμός χρήσης της οργανικής ύλης (εξωτερική πηγή άνθρακα) στο ακατέργαστο νερό είναι γενικά χαμηλός. Η χρήση παλαιωμένου βιοφίλμ ως εσωτερικής πηγής άνθρακα για απονιτροποίηση υποδηλώνει επίσης ότι η διαδικασία MBBR μπορεί να έχει χαμηλότερη παραγωγή λάσπης. Χρησιμοποιώντας ολόκληρη την περίοδο δοκιμής ως κόμβο, το υπολογιζόμενο ογκομετρικό φορτίο απονιτροποίησης του αερόβιου βιοφίλμ ήταν (0,045±0,003) kg·(m3·d)-1. Το βιοφίλμ στους αιωρούμενους φορείς που προστέθηκαν στην αερόβια ζώνη είχε αποτέλεσμα απονιτροποίησης, παρέχοντας στοιχεία για την εμφάνιση ταυτόχρονης νιτροποίησης και απονιτροποίησης στο βιοφίλμ.

Το SND, ως ευεργετικό αποτέλεσμα μετά την εφαρμογή της διαδικασίας MBBR για αναβάθμιση σε αυτό το έργο, βελτίωσε περαιτέρω τον ρυθμό αφαίρεσης TN του συστήματος και μείωσε την εξάρτηση από εξωτερικές πηγές άνθρακα για απονιτροποίηση σε κάποιο βαθμό. Για να ενισχυθεί περαιτέρω το αερόβιο φαινόμενο SND, από την προοπτική της βελτιστοποιημένης λειτουργίας, διερευνήθηκε περαιτέρω η επίδραση της ποιότητας και των παραμέτρων ελέγχου του νερού εισροής και εκροής στο φαινόμενο SND της ζώνης MBBR. Μέσω της μακροπρόθεσμης παρακολούθησης παραμέτρων ελέγχου όπως εισερχόμενο νιτρικό άζωτο (NO3{3}}Ninf), νιτρικό άζωτο εκροής (NO3-Neff), εισερχόμενη οργανική ύλη (CODinf), οργανική ύλη εκροής (CODeff), εισερχόμενη οργανική ύλη (CODeff), εισερχόμενη αμμωνία ({5}Nintro) άζωτο αμμωνίας (NH3-Neff), ολική απομάκρυνση αζώτου (ΔTN) και DO στη ζώνη MBBR καθ' όλη τη διάρκεια του χειμώνα, χρησιμοποιήθηκε ανάλυση κύριου συστατικού (PCA) για τη διερεύνηση των συσχετισμών μεταξύ αυτών των παραμέτρων. Τα αποτελέσματα φαίνονται στοΕικόνα 7. Το ΔTN στην αερόβια ζώνη έδειξε μια σχετικά σημαντική αρνητική συσχέτιση με το DO, ενώ η συσχέτιση με τα CODinf, CODeff και NO3-Ninf δεν ήταν εμφανής. Το πολύ υψηλό DO οδηγεί σε πιο ενδελεχή μεταφορά μάζας στο βιοφίλμ, καθιστώντας δύσκολο το σχηματισμό μιας ανοξικής ζώνης στο εσωτερικό, η οποία είναι δυσμενής για τη διαδικασία απονιτροποίησης και αναστέλλει το φαινόμενο SND. Επιπλέον, το CODinf και το NO3-Ninf στη ζώνη MBBR δεν είχαν σημαντική επίδραση στην επίδραση SND των αιωρούμενων φορέων. Από τη μία πλευρά, αυτό επαληθεύει και πάλι ότι η διαδικασία SND του βιοφίλμ χρησιμοποιεί κυρίως εσωτερικές πηγές άνθρακα παρά εξωτερικές πηγές άνθρακα. Από την άλλη πλευρά, υποδεικνύει επίσης ότι το NO3-N που αφαιρείται από το SND στη ζώνη MBBR δεν προέρχεται από εισερχόμενο NO3-N, αλλά κυρίως από NO3-N που παράγεται από νιτροποίηση στην αερόβια δεξαμενή. NO3-Το Neff συσχετίζεται αρνητικά με το ΔTN στην αερόβια ζώνη. Ως αποτέλεσμα της συνδυασμένης δράσης νιτροποίησης και SND στην αερόβια ζώνη, αφενός, υψηλότερο DO οδηγεί σε καλύτερη νιτροποίηση και υψηλότερα απόβλητα NO3-Neff; Από την άλλη πλευρά, υψηλότερο DO οδηγεί σε φτωχότερο SND και πιο παρεμποδισμένη απομάκρυνση αζώτου, οδηγώντας περαιτέρω σε υψηλότερα απόβλητα NO3-Neff.

Για την επίτευξη «μετρήσιμου και ελεγχόμενου» SND και την παροχή καθοδήγησης για τον έλεγχο λειτουργίας της εγκατάστασης, η DO, η οποία μπορεί να ελεγχθεί χειροκίνητα, επιλέχθηκε ως ανεξάρτητη μεταβλητή και η ΔTN χρησιμοποιήθηκε ως εξαρτημένη μεταβλητή για ανάλυση γραμμικής παλινδρόμησης. Τα αποτελέσματα φαίνονται στοΕικόνα 8(ένα). Όταν το πραγματικό DO στη ζώνη MBBR του φυτού ήταν 2,06–3,67 mg·L-1, υπήρχε ένα φαινόμενο SND, με αφαίρεση αζώτου 2,36–4,10 mg·L-1, και τα ΔTN και DO βασικά ικανοποιούσαν ΔTN=6.0040 – 0,9579 (R279). Επιπλέον, χρησιμοποιώντας την προσαρμοσμένη καμπύλη, υπολογίστηκε ότι θεωρητικά, όταν το DO ελέγχεται κάτω από 6,27 mg·L-1, η ζώνη MBBR μπορεί να ασκήσει ένα αποτέλεσμα αφαίρεσης αζώτου SND. Αυτό είναι σύμφωνο με το συμπέρασμα των Wang Xuejiang et al. στη μελέτη της επίδρασης του DO στην επίδραση SND ενός συστήματος MBBR, όπου διαπίστωσαν ότι ο ρυθμός απομάκρυνσης ΤΝ θα μπορούσε ακόμα να υπερβαίνει το 30% όταν το DO ήταν τόσο υψηλό όσο 6,0 mg·L-1. Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι αυτή η τιμή είναι μια θεωρητική τιμή που λαμβάνεται με προσαρμογή και το πραγματικό αποτέλεσμα εφαρμογής χρειάζεται περαιτέρω μελέτη σε μεταγενέστερη λειτουργία. Επιπλέον, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η ρύθμιση DO επηρεάζει ταυτόχρονα το αποτέλεσμα νιτροποίησης του συστήματος, επηρεάζοντας έτσι την απόδοση αφαίρεσης NH3-N. Επομένως, τα αποτελέσματα της ανάλυσης γραμμικής παλινδρόμησης χρησιμοποιώντας DO ως ανεξάρτητη μεταβλητή και ΔNH3-N ως εξαρτημένη μεταβλητή φαίνονται στο Σχήμα 8(β). Σύμφωνα με τη μέση εισροή NH3-N της ζώνης MBBR το χειμώνα (10,47 mg·L-1) και το πρότυπο εκροής σχεδιασμού (1,50 mg·L-1), υπολογίζεται ότι το ΔNH3-N πρέπει να ελέγχεται όχι λιγότερο από 8,91 mg·L. Σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα γραμμικής παλινδρόμησης, το DO θα πρέπει να ελέγχεται πάνω από 2,47 mg·L-1. Συνοπτικά, όταν το DO σε αυτό το έργο ήταν 2,06–3,67 mg·L-1, υπήρχε ένα φαινόμενο SND. Ωστόσο, με βάση την αρχή της τήρησης των προτύπων αζώτου αμμωνίας εκροής με ταυτόχρονη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας αερισμού, το DO μπορούσε να ελεγχθεί γύρω στα 2,47 mg·L-1, όπου η επίδραση SND του συστήματος είναι βέλτιστη, αφαιρώντας 3,64 mg·L-1 TN.

Για να επαληθευτεί η επίδραση των παραμέτρων λειτουργίας στην επίδραση SND του βιοφίλμ και να ληφθεί ένα γενικό πρότυπο, συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα SND έξι μονάδων επεξεργασίας λυμάτων που εφαρμόζουν τη διαδικασία MBBR υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Τα αποτελέσματα φαίνονται στοΠίνακας 2. Πρώτον, το DO στην αερόβια ζώνη κάθε φυτού ελεγχόταν κυρίως στα 2-3 mg·L-1, και η συγκέντρωση της λάσπης ήταν 3,0-4,0 g·L-1. Υπό αυτές τις συνθήκες, θα μπορούσε να επιτευχθεί ένα σχετικά προφανές φαινόμενο SND. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα προσαρμογής των ΔTN και DO σε αυτό το έργο, όταν το DO ελέγχεται κάτω από 6,27 mg·L-1, θα μπορούσε να συμβεί ένα φαινόμενο SND. Αυτό το έργο, με ένα σχετικά παχύτερο βιοφίλμ το χειμώνα, είχε μεγαλύτερη ανοχή στο DO. Δεύτερον, το εργοστάσιο Β, με τη χαμηλότερη συγκέντρωση λάσπης, είχε το καλύτερο αποτέλεσμα SND. Τα φυτά Α, Δ και Ε, με υψηλότερους λόγους πλήρωσης φορέα, είχαν πιο εμφανή αποτελέσματα SND, όλα δείχνουν ότι στο υβριδικό σύστημα MBBR, το φαινόμενο SND προέρχεται κυρίως από το βιοφίλμ.

Συνοπτικά, εκτός από την ενίσχυση του φαινομένου SND με τον έλεγχο του DO, αυτό το έργο θα μπορούσε επίσης να προσπαθήσει να μειώσει σταδιακά τη λάσπη του συστήματος σε περίπου 3,0 g·L-1, παρέχοντας καλύτερες συνθήκες για καλλιέργεια πάχους βιοφίλμ και σχηματισμό ανοξικού στρώματος μέσω χαμηλής συγκέντρωσης λάσπης, παρέχοντας έτσι συνθήκες για περαιτέρω απόδοση SND.

2.4 Ανάλυση αζώτου-Αφαίρεση της σύνθεσης της βακτηριακής κοινότητας

Όσον αφορά τις διαφορές στον πλούτο και την ποικιλομορφία των ειδών μεταξύ των φάσεων της λάσπης και του βιοφίλμ, με βάση τη μικρή διαφορά στα αποτελέσματα δύο δοκιμών αλληλουχίας αμπλικονίου, επιλέχθηκε ένα σύνολο δεδομένων για ανάλυση. Όπως φαίνεται στοΕικόνα 9, οι δείκτες Chao, Ace και Simpson χαρακτηρίζουν τον πλούτο και την ομοιομορφία κατανομής της μικροβιακής κοινότητας, ενώ ο δείκτης Shannon αντιπροσωπεύει την ποικιλομορφία της μικροβιακής κοινότητας. Οι υψηλότεροι δείκτες Chao και Ace υποδεικνύουν υψηλότερο πλούτο OTU, χαμηλότερος δείκτης Simpson υποδηλώνει καλύτερη ομοιομορφία κατανομής των ειδών και υψηλότερος δείκτης Shannon υποδηλώνει υψηλότερη ποικιλομορφία κοινότητας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τόσο ο πλούτος όσο και η ποικιλότητα των ειδών ήταν σημαντικά υψηλότεροι στο βιοφίλμ απ' ό,τι στην ενεργοποιημένη ιλύ, και η κατανομή των ειδών στο βιοφίλμ ήταν επίσης πιο ομοιόμορφη από ό,τι στην ενεργοποιημένη ιλύ. Ο συνολικός αριθμός των OTU στο βιοφίλμ και στην ενεργοποιημένη λάσπη ήταν 1.652 και 1.372, αντίστοιχα, με 770 κοινές OTU, που αντιπροσωπεύουν το 46,6% και το 56,1% των συνολικών OTU στο βιοφίλμ και την ενεργοποιημένη ιλύ, αντίστοιχα. Το βιοφίλμ είχε 882 μοναδικά OTU, που αντιστοιχούσαν σχεδόν στο 40% του συνόλου των OTU. Μπορεί να φανεί ότι το βιοφίλμ εμπλούτισε ένα τμήμα μικροοργανισμών που δεν υπήρχαν στην αρχική ενεργοποιημένη ιλύ. Η προσθήκη αιωρούμενων φορέων αύξησε σημαντικά τον πλούτο και την ποικιλομορφία της μικροβιακής κοινότητας στο σύστημα και η πιο σύνθετη σύνθεση μικροβιακής κοινότητας έθεσε επίσης τα θεμέλια για την αντοχή στην κρούση του συστήματος MBBR.

Για την περαιτέρω κατανόηση των διαφορών στα κυρίαρχα είδη και τη λειτουργική βακτηριακή σύνθεση μεταξύ του βιοφίλμ και της ενεργοποιημένης λάσπης και για την παροχή μικροσκοπικής υποστήριξης για το φαινόμενο SND στο βιοφίλμ, αναλύθηκε η μικροβιακή σύνθεση σε επίπεδο γένους. Όπως φαίνεται στοΕικόνα 10, τα κυρίαρχα είδη στο βιολογικό σύστημα αυτού του έργου περιλάμβαναν τα norank_f_Caldilineaceae, norank_f_JG30-KF-CM45, Nitrospira, Pedomicrobium και SWB02. Μεταξύ αυτών, το norank_f_Caldilineaceae και το norank_f_JG30-KF-CM45 θα μπορούσαν να εμπλουτιστούν τόσο στο βιοφίλμ όσο και στην ενεργοποιημένη λάσπη, με σχετική αφθονία στο βιοφίλμ και την ενεργοποιημένη ιλύ 3,05, 5,606%, αντίστοιχα, 3,05% και 3,06% αντίστοιχα και . Τα norank_f_Caldilineaceae είναι ως επί το πλείστον νηματοειδή βακτήρια και ορισμένα γένη έχουν ικανότητα απονιτροποίησης. Εμπλουτίστηκαν στο βιοφίλμ επειδή το βιοφίλμ μπορεί να εκκρίνει περισσότερο EPS για τον πολλαπλασιασμό τους. Από την άλλη πλευρά, μπορούν επίσης να εμπλουτιστούν σε ενεργοποιημένη ιλύ ως PAO, προάγοντας την απομάκρυνση του φωσφόρου. norank_f_JG30-KF-CM45 μπορεί να συμμετάσχει σε διαδικασίες μετασχηματισμού άνθρακα και αζώτου, ενισχύοντας την απομάκρυνση της οργανικής ύλης και του αζώτου.

Σύμφωνα με αναφορές της βιβλιογραφίας, έχει βρεθεί ότι η διαδικασία MBBR μπορεί να επιτύχει αποτελεσματικό εμπλουτισμό νιτροποιητικών βακτηρίων όπως Nitrospirota, Nitrosomonas και Nitrolancea σε χαμηλές θερμοκρασίες. Το κύριο γένος νιτροποίησης σε αυτό το έργο ήταν το Nitrospira, το οποίο έχει πλήρη ικανότητα νιτροποίησης. Η σχετική αφθονία του στο βιοφίλμ και στην ενεργοποιημένη λάσπη ήταν 4,73% και 0,39%, αντίστοιχα. Σύμφωνα με αναφορές της βιβλιογραφίας, η σχετική αφθονία νιτροποιητικών βακτηρίων σε άλλα φυτά που χρησιμοποιούν συστήματα ενεργοποιημένης λάσπης σε χαμηλές χειμερινές θερμοκρασίες είναι κυρίως κάτω από 1%. Μετά την ανακατασκευή του υβριδικού MBBR σε αυτό το έργο, η σχετική αφθονία νιτροποιητικών βακτηρίων στην ενεργοποιημένη λάσπη ήταν σχετικά χαμηλή, παρέχοντας στοιχεία για την ανακατανομή των νιτροποιητικών βακτηρίων στο σύστημα MBBR υπό συνθήκες χαμηλής{{7} θερμοκρασίας, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Η σχετική αφθονία του Nitrospira στο βιοφίλμ αυτού του έργου ήταν πάνω από 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή στην ενεργοποιημένη ιλύ και υπολογίστηκε ότι περισσότερο από το 92% των νιτροποιητικών βακτηρίων στο σύστημα εμπλουτίστηκαν στο βιοφίλμ. Αυτό είναι το πλεονέκτημα της διαδικασίας MBBR σε συνθήκες χαμηλής{12} θερμοκρασίας, διασφαλίζοντας τη σταθερή λειτουργία του συστήματος.

Όσον αφορά το φαινόμενο SND στο βιοφίλμ, οι αιωρούμενοι φορείς έδειξαν επίσης ισχυρότερη ικανότητα εμπλουτισμού για ορισμένα βακτήρια απονιτροποίησης από την ενεργοποιημένη ιλύ. Μελέτες έχουν δείξει ότι τόσο το SWB02 όσο και το Pedomicrobium μπορούν να συμμετέχουν στη διαδικασία απονιτροποίησης και το SWB02 μπορεί να εκκρίνει C6-HSL, το οποίο έχει καλή ανασταλτική επίδραση στη διόγκωση της ιλύος. Οι σχετικές αφθονίες SWB02 και Pedomicrobium στο βιοφίλμ ήταν 3,68% και 3,78%, αντίστοιχα, πολύ υψηλότερες από τις σχετικές αφθονίες τους στην ενεργοποιημένη ιλύ (0,21% και 0,22%). Επιπλέον, υπολογίστηκε ότι οι αναλογίες SWB02 και Pedomicrobium σε ολόκληρο το υβριδικό σύστημα ήταν και οι δύο πάνω από 94,5%. Αν και οι αιωρούμενοι φορείς προστέθηκαν μόνο στην αερόβια ζώνη, το ώριμο βιοφίλμ έχει ένα ορισμένο πάχος. Λόγω των περιορισμών της μεταφοράς μάζας και της μεταφοράς οξυγόνου, υπάρχει ένα ανοξικό/υποξικό περιβάλλον στο εσωτερικό στρώμα του βιοφίλμ, εμπλουτίζοντας τα απονιτροποιητικά βακτήρια, προικίζοντας έτσι το βιοφίλμ με ικανότητα απονιτροποίησης. Αυτή είναι η μικροβιολογική βάση για την ικανότητα ταυτόχρονης νιτροποίησης και απονιτροποίησης του βιοφίλμ. Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι το Hyphomicrobium μπορεί επίσης να εμπλουτιστεί σε περιβάλλοντα χαμηλής θερμοκρασίας. Αυτό το γένος μπορεί να χρησιμοποιήσει τοξικές και πυρίμαχες οργανικές ενώσεις για απονιτροποίηση. Η σχετική αφθονία του στο βιοφίλμ ήταν 1,80%, επίσης πολύ υψηλότερη από τη σχετική αφθονία του στην ενεργοποιημένη ιλύ (0,12%).

Συγκρίνοντας τα κυρίαρχα απονιτροποιητικά βακτήρια (DNB) και τη σχετική αφθονία τους στο βιοφίλμ άλλων φυτών, τα αποτελέσματα φαίνονται στοΠίνακας 3. Πρώτον, όσον αφορά τη σύνθεση των βακτηρίων απονιτροποίησης στο αερόβιο βιοφίλμ, οι τύποι των βακτηρίων απονιτροποίησης που εμπλουτίστηκαν στο αερόβιο βιοφίλμ κάθε έργου δεν ήταν συνεπείς. Τα μόνα επαναλαμβανόμενα γένη ήταν τα Terrimonas και το Hyphomicrobium. Το Terrimonas είναι επίσης ένα κοινό απονιτροποιητικό βακτήριο σε συστήματα ενεργοποιημένης ιλύος και παρόμοιο με το Hyphomicrobium, μπορεί να αποικοδομήσει ενώσεις ανθρακενίου και μερικά ταξινομούνται ως αερόβια απονιτροποιητικά βακτήρια. Αυτά τα δύο βακτήρια εμφανίστηκαν στα φυτά F, H και σε αυτό το έργο. Το εργοστάσιο Η και αυτό το έργο επηρεάστηκαν συχνά από βιομηχανικά λύματα κατά τη διάρκεια της πραγματικής λειτουργίας και η ειδική ποιότητα του νερού του βιομηχανικού νερού μπορεί να είναι ένας από τους λόγους για τον εμπλουτισμό αυτών των δύο βακτηριακών ομάδων. Επομένως, μπορεί να συναχθεί ότι συγκεκριμένα γένη απονιτροποίησης στο αερόβιο βιοφίλμ δεν είναι απαραίτητη προϋπόθεση για το SND και οι διαφορές στην ποιότητα του νερού μεταξύ διαφορετικών έργων μπορεί να είναι ο κύριος λόγος για τις διαφορές στις ομάδες απονιτροποίησης βακτηρίων. Δεύτερον, όσον αφορά τη σχετική αφθονία απονιτροποιητικών βακτηρίων στο αερόβιο βιοφίλμ, εκτός από τα φυτά F, H και αυτό το έργο, άλλα έργα πέτυχαν σχετική αφθονία απονιτροποιητικών βακτηρίων στο αερόβιο βιοφίλμ περίπου 8%, με την αφαίρεση αζώτου SND να υπερβαίνει τα 2 mg·L-1. Υπό την επίδραση του βιομηχανικού νερού, αν και η σχετική αφθονία των απονιτροποιητικών βακτηρίων στο αερόβιο βιοφίλμ του φυτού Η και αυτού του έργου ήταν σχετικά υψηλή, η αποτελεσματικότητα της απονιτροποίησης δεν ήταν ιδιαίτερα εξαιρετική. Μπορεί να φανεί ότι η ποιότητα του εισερχόμενου νερού έχει υψηλή προτεραιότητα στην επιλογή των τύπων απονιτροποιητικών βακτηρίων στο αερόβιο βιοφίλμ και η επίδραση του βιομηχανικού νερού αναστέλλει την αποτελεσματικότητα απονιτροποίησης του αερόβιου βιοφίλμ.

Συνοπτικά, η διαδικασία MBBR μπορεί να αυξήσει σημαντικά τον πλούτο και την ποικιλομορφία της μικροβιακής κοινότητας στο σύστημα. Η ικανότητα εμπλουτισμού του βιοφίλμ για το νιτροποιητικό γένος Nitrospira είναι περισσότερο από 10 φορές μεγαλύτερη από εκείνη της ενεργοποιημένης ιλύος, ενισχύοντας σημαντικά το αποτέλεσμα νιτροποίησης του συστήματος. Τα απονιτροποιητικά γένη όπως τα SWB02, Pedomicrobium και Hyphomicrobium εμπλουτίζονται καλύτερα στο αερόβιο βιοφίλμ, παρέχοντας τη μικροσκοπική βάση για την απόδοση SND και ενισχύοντας την αφαίρεση του TN. Ωστόσο, λόγω της επίδρασης του βιομηχανικού νερού, η απόδοση απονιτροποίησης SND δεν είναι σημαντική.

3 Συμπεράσματα

① Μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων στη Νοτιοδυτική Κίνα αναβάθμισε την αρχική της δεξαμενή CASS σε βιολογική δεξαμενή και δεξαμενή καθίζησης Bardenpho-MBBR για να επιτύχει αναβάθμιση από Κλάσης Α σε σχεδόν-Τάξης IV πρότυπα. Μετά την ανακατασκευή, σε χειμερινές θερμοκρασίες νερού 9,3–13,1 μοιρών και με μέσα εισερχόμενα φορτία NH3-N και TN αυξήθηκαν κατά περίπου 20% σε σύγκριση με πριν από την ανακατασκευή, οι δείκτες εκροής ικανοποιούσαν σταθερά τα σχεδόν-πρότυπα νερού κατηγορίας IV. Το μέγιστο φορτίο νιτροποίησης του συστήματος MBBR έφτασε τα 0,286 kg·(m3·d)-1, ικανοποιώντας τις προσδοκίες σχεδιασμού. Το ποσοστό συνεισφοράς νιτροποίησης των αναρτημένων φορέων ήταν 74,83%, κατέχοντας δεσπόζουσα θέση. Το σύστημα εξακολουθεί να έχει τη δυνατότητα να αυξήσει την ποιότητα του νερού κατά 56,96% και τη ροή κατά 30,57%.

② Στη ζώνη MBBR, οι αιωρούμενοι φορείς χρησιμοποιούν εσωτερικές πηγές άνθρακα για να ασκήσουν ένα φαινόμενο SND, επιτυγχάνοντας ποσοστό συνεισφοράς αφαίρεσης αζώτου 9,83%±0,67%. Για να ενισχυθεί το φαινόμενο SND, το DO θα πρέπει να ελέγχεται όσο το δυνατόν περισσότερο στα 2,47 mg·L-1 στην πραγματική λειτουργία, όπου το SND μπορεί να αφαιρέσει 3,64 mg·L-1 TN. Αργότερα, μπορούν να γίνουν προσπάθειες για περαιτέρω μείωση της συγκέντρωσης λάσπης σε περίπου 3,0 g·L-1 για να παρασχεθούν συνθήκες για περαιτέρω ενίσχυση του αποτελέσματος SND του βιοφίλμ.

③ Η διαδικασία MBBR αύξησε σημαντικά τον πλούτο και την ποικιλομορφία της μικροβιακής κοινότητας στο σύστημα. Η ικανότητα εμπλουτισμού του βιοφίλμ για το νιτροποιητικό γένος Nitrospira ήταν περισσότερο από 10 φορές μεγαλύτερη από εκείνη της ενεργοποιημένης ιλύος, παρέχοντας τη μικροβιολογική βάση για ενισχυμένη νιτροποίηση σε αυτό το έργο. Τα απονιτροποιητικά γένη που εμπλουτίστηκαν στο αερόβιο βιοφίλμ, όπως τα SWB02, Pedomicrobium και Hyphomicrobium, έθεσαν τα μικροσκοπικά θεμέλια για την εμφάνιση του φαινομένου SND στο βιοφίλμ.