Πιλοτική-Μελέτη κλίμακας σε πολυ-Σύστημα A/O-MBBR για απομάκρυνση αζώτου σε μεσαίες-χαμηλές θερμοκρασίες
Επισκόπηση
Τα τελευταία χρόνια, η Κίνα έχει επιτύχει σημαντικά αποτελέσματα στη διαχείριση του υδάτινου περιβάλλοντος, αλλά εξακολουθεί να αντιμετωπίζει ζητήματα όπως η έλλειψη υδάτινων πόρων, η ρύπανση του περιβάλλοντος των υδάτων και η οικολογική καταστροφή του νερού. Από την άποψη της προστασίας των υδάτινων πόρων, της πρόληψης της ρύπανσης των υδάτων και της αποκατάστασης της οικολογίας των υδάτων, η συνεχής προώθηση της βελτίωσης της αποδοτικότητας και της αποτελεσματικότητας της επεξεργασίας λυμάτων είναι μεγάλης σημασίας για την αύξηση των ποσοστών χρήσης των υδάτινων πόρων, τη βελτίωση της ποιότητας του υδάτινου περιβάλλοντος, την ενίσχυση της εθνικής ποιότητας ζωής, την επιτάχυνση της κατασκευής οικολογικού περιβάλλοντος και τη νίκη της μάχης για καθαρό νερό. Επί του παρόντος, με βάση το υπάρχον εθνικό "Πρότυπο εκκένωσης ρύπων για εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων" (GB18918-2002), οι τοπικές κυβερνήσεις έχουν προτείνει διαδοχικά νέες απαιτήσεις για την ποιότητα των λυμάτων των σταθμών επεξεργασίας αστικών λυμάτων, με ιδιαίτερα αυστηρότερες απαιτήσεις σε δείκτες όπως οργανική ύλη, αμμωνία και ολικό άζωτο. Οι παραδοσιακές τεχνολογίες επεξεργασίας νερού που αντιπροσωπεύονται από τη διαδικασία ενεργού ιλύος αντιμετωπίζουν σημεία συμφόρησης όπως η περιορισμένη βιολογική νιτροποίηση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Πολυάριθμες μελέτες έχουν δείξει ότι η απόδοση νιτροποίησης της διαδικασίας ενεργοποιημένης ιλύος μειώνεται σημαντικά υπό συνθήκες χαμηλής-θερμοκρασίας, που συνοδεύονται από ζητήματα όπως ο σοβαρός όγκος της ιλύος και η βιολογική αφαίρεση. Ως εκ τούτου, η διάρρηξη της συμφόρησης των χαμηλών θερμοκρασιών και η επίτευξη σταθερής και αποτελεσματικής βιολογικής απομάκρυνσης αζώτου έχει γίνει ένα επείγον πρόβλημα που πρέπει να επιλυθεί στον τομέα της επεξεργασίας λυμάτων. Η τεχνολογία Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) έχει εφαρμοστεί σε εκατοντάδες μονάδες επεξεργασίας λυμάτων παγκοσμίως. Λόγω της συνδεδεμένης κατάστασης ανάπτυξης του βιοφίλμ μέσα στον αντιδραστήρα και της ικανότητας συνεχούς ανανέωσής του, όχι μόνο διαθέτει υψηλή βιομάζα αλλά διατηρεί επίσης υψηλή δραστηριότητα. Τα αποτελέσματα εφαρμογής στις σκανδιναβικές χώρες υποδεικνύουν επίσης ότι έχει ισχυρότερη προσαρμοστικότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες σε σύγκριση με τη διαδικασία ενεργού ιλύος.
Για το λόγο αυτό, αυτή η μελέτη, που στοχεύει στα χαρακτηριστικά των αστικών λυμάτων στην Κίνα, χρησιμοποιεί τα πλεονεκτήματα του MBBR και της διαδικασίας πολλαπλών- σταδίων Anoxic/Oxic (A/O) για βιολογική αφαίρεση αζώτου για την κατασκευήένα σύστημα τριών-βαθμίδων A/O-MBBR πιλοτικής κλίμακας-. Διερευνήθηκε η ικανότητα απομάκρυνσης του συστήματος για οργανική ύλη, αμμωνιακό άζωτο και ολικό ανόργανο άζωτο σε συνθήκες μέτριας-χαμηλής θερμοκρασίας. Η ικανότητα νιτροποίησης και οι μορφολογικές αλλαγές του βιοφίλμ υπό στατικές πειραματικές συνθήκες αναλύθηκαν, παρέχοντας τεχνική υποστήριξη για την επίτευξη σταθερής και αποτελεσματικής απομάκρυνσης αζώτου από αστικά λύματα υπό συνθήκες χαμηλής-θερμοκρασίας και για την κατασκευή και ρύθμιση συστημάτων A/O-MBBR πολλαπλών σταδίων.
1. Υλικά και Μέθοδοι
1.1 Πιλοτική-κλίμακα Πειραματική ρύθμιση και λειτουργία συστήματος
Η ροή διεργασίας του κατασκευασμένου συστήματος τριών σταδίων A/O-MBBR πιλοτικής κλίμακας-εμφανίζεται στοΕικόνα 1. Το πιλοτικό-σύστημα κλίμακας αποτελείται από τρία στάδια ανοξικού/οξικού (A/O), χωρισμένα σε 10 ζώνες αντίδρασης συνολικά.Το πρώτο-στάδιοΤο υποσύστημα A/O-MBBR αποτελείται από ζώνες ανοξικής αντίδρασης (A1, A2) και αερόβιες ζώνες αντίδρασης (O3, O4).Το δεύτερο-στάδιοΤο υποσύστημα A/O-MBBR αποτελείται από ζώνες ανοξικής αντίδρασης (A5, A6) και αερόβιες ζώνες αντίδρασης (O7, O8).Το τρίτο-στάδιοΤο υποσύστημα A/O-MBBR αποτελείται από μια ζώνη ανοξικής αντίδρασης (A9) και μια ζώνη αερόβιας αντίδρασης (O10). Ο αποτελεσματικός όγκος τωνκάθε προαναφερθείσα ζώνη αντίδρασης είναι 1,4 m³ (1m * 1m * 1,4 m), με πραγματικό βάθος νερού 1,4 m. Σε κάθε τμήμα ζώνης αντίδρασης προστέθηκαν αιωρούμενοι φορείς βιοφίλμ (μέσα) με ειδική επιφάνεια 500 m²/m³, με αναλογία πλήρωσης φορέα 35% για όλους. Η μηχανική ανάμιξη χρησιμοποιήθηκε στις ζώνες ανοξικής αντίδρασης για να διατηρηθούν οι φορείς ρευστοποιημένοι, ενώ ο αερισμός με διάτρητο σωλήνα χρησιμοποιήθηκε στις ζώνες αερόβιας αντίδρασης, ελέγχοντας τηνσυγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου στα 3-9 mg/L.
Ο πραγματικός ρυθμός εισροής του πιλοτικού συστήματος-κλίμακας ήταν (23.6 + 5.4) m³/d, χρησιμοποιώντας κατανομή εισροής δύο-σημείων, με σημεία εισόδου ρυθμισμένα στις ζώνες αντίδρασης A1 και O5 και αναλογία εισροής 1:1. Το πιλοτικό-σύστημα κλίμακας είχε δύο σετ ανακυκλοφορίας νιτροποιημένου υγρού (από το Ο4 στο Α1 και από το Ο8 στο Α5), με αναλογία ανακυκλοφορίας από 100% έως 200% (με βάση τον ρυθμό εισροής κάθε σταδίου). Για να διασφαλιστεί η σωστή{15}}απονιτροποίηση, προστέθηκαν 50-90 mg/L οξικού νατρίου (υπολογισμένο ως COD) ως εξωτερική πηγή άνθρακα στη ζώνη αντίδρασης Α9. Ολόκληρη η πειραματική μελέτη χωρίστηκε σε 2 φάσεις: Φάση Ι - Κανονική θερμοκρασία (18-29 βαθμοί ); Φάση ΙΙ - Μέτρια-χαμηλή θερμοκρασία (10-16 βαθμοί ).
1.2 Νερό δοκιμής
Η πιλοτική δοκιμή διεξήχθη σε-τοπικό σταθμό σε μονάδα επεξεργασίας αστικών λυμάτων στην πόλη Qingdao. Το νερό δοκιμής λήφθηκε από τα απόβλητα της δεξαμενής πρωτογενούς καθίζησης αυτής της μονάδας και εισήλθε στο πιλοτικό σύστημα μετά από ενισχυμένη προεπεξεργασία με επίπλευση. Οι συνθήκες ποιότητας του νερού μετά από ενισχυμένη προεπεξεργασία επίπλευσης παρουσιάζονται στοΠίνακας 1.
1.3 Δείκτες και μέθοδοι ανίχνευσης
1.3.1 Συμβατικοί δείκτες
Συμβατικοί δείκτες όπως SCOD, NH4+-N, NO2--N, NO3--N, SS, MLSS και MLVSS μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας τυπικές μεθόδους από τις "Μέθοδοι παρακολούθησης και ανάλυσης νερού και λυμάτων". Το διαλυμένο οξυγόνο, η θερμοκρασία, το pH και η ORP μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας αφορητός μετρητής διαλυμένου οξυγόνου (HACH HQ40d). Το πάχος του βιοφίλμ μετρήθηκε χρησιμοποιώντας έναανεστραμμένο μικροσκόπιο φθορισμού (Olympus, IX71).
1.3.2 Στατικό πείραμα νιτροποίησης
Κατά τη λειτουργία του συστήματος, λήφθηκαν περιοδικά δείγματα φορέων από τις αερόβιες ζώνες για τη μέτρηση της ικανότητας νιτροποίησης του βιοφίλμ υπό συνθήκες στατικής αντίδρασης. Οι φορείς από κάθε ζώνη αερόβιας αντίδρασης τοποθετήθηκαν σε έναν αντιδραστήρα 5 L, με αναλογία πλήρωσης πανομοιότυπη με το πιλοτικό σύστημα στο 35%. Το νερό δοκιμής διαμορφώθηκε τεχνητά σε διάλυμα NH4Cl με συγκέντρωση μάζας 20-25 mg/L (υπολογισμένη ως Ν). Κατά τη διάρκεια του πειράματος, μια μικρή αντλία αέρα χρησιμοποιήθηκε για αερισμό για να διατηρεί τους φορείς ρευστοποιημένους ενώ ελέγχεται το διαλυμένο οξυγόνο στα 7-11 mg/L. Η διάρκεια της δοκιμής ήταν 2 ώρες, με διαστήματα δειγματοληψίας 30 λεπτών, μετρώντας την αλλαγή στη συγκέντρωση NH4+-N για τον υπολογισμό της ικανότητας νιτροποίησης του βιοφίλμ υπό συνθήκες στατικής αντίδρασης.
2. Αποτελέσματα και Ανάλυση
2.1 Λειτουργική απόδοση του πιλοτικού συστήματος τριών- σταδίων A/O-MBBR
Η λειτουργική απόδοση του πιλοτικού συστήματος A/O-MBBR τριών σταδίων εμφανίζεται στοΕικόνα 2. Στην κανονική φάση θερμοκρασίας (Φάση Ι), με θερμοκρασία αντίδρασης 18-29 μοιρών , ταχύτητα ροής επεξεργασίας (23.6+5.4) m³/d και δόση πηγής άνθρακα 50 mg/L (υπολογισμένη ως COD, ίδια παρακάτω) στην ανοξική ζώνη του τρίτου- σταδίου A/O BRSS, του στελέχους MB στο υποσύστημα MB{6} Οι συγκεντρώσεις NH4+-N και TIN ήταν (160±31), (35,0±7,2) και (35,8±7,0) mg/L, αντίστοιχα, και οι συγκεντρώσεις των επεξεργασμένων εκροών ήταν (27±8), (0,6±0,5) και (2,7±2,2) mg/L, αντίστοιχαμέσο ποσοστό απομάκρυνσης που φτάνει το 83,1%, 98,3% και 92,5%. Στη φάση μέσης-χαμηλής θερμοκρασίας (Φάση ΙΙ), με θερμοκρασία αντίδρασης 10-16 βαθμών , τον ίδιο ρυθμό ροής επεξεργασίας (23.6+5.4) m³/d και δοσολογία πηγής άνθρακα 50-90 mg/L στην ανοξική ζώνη του τρίτου{{7}σταδίου MB'ssy influence A/O,SC Οι συγκεντρώσεις NH4+-N και TIN ήταν (147±30), (38,3±2,1) και (39,6±2,3) mg/L, αντίστοιχα, και οι συγκεντρώσεις των εκροών ήταν (26±6), (0,4±0,6) και (6,8±3,6) mg/L, αντίστοιχα,τα μέσα ποσοστά αφαίρεσης φθάνουν το 82,3%, 99,0% και 82,8%. Περαιτέρω, κατά τις ημέρες 56-62 της λειτουργίας του συστήματος, όταν η δοσολογία πηγής άνθρακα ήταν 50 mg/L, εμφανίστηκε σημαντική συσσώρευση ΝΟ2--Ν στη ζώνη αντίδρασης Α9. Ωστόσο, μετά τη σταδιακή αύξηση της δοσολογίας της πηγής άνθρακα στα 90 mg/L, η συσσώρευση NO2-N στη ζώνη αντίδρασης Α9 εξαφανίστηκε βαθμιαία και η συγκέντρωση TIN εκροής μειώθηκε σε ένα λογικό επίπεδο.
2.2 Αλλαγές στην ικανότητα νιτροποίησης βιοφίλμ σε κάθε ζώνη αερόβιας αντίδρασης σε διαφορετικές θερμοκρασίες αντίδρασης
Για να αξιολογηθούν οι αλλαγές στην ικανότητα νιτροποίησης του συστήματος τριών σταδίων A/O-MBBR από μια συνολική προοπτική, αναλύθηκε ο ρυθμός συμβολής NH4+-N και η ικανότητα νιτροποίησης του βιοφίλμ σε κάθε ζώνη αερόβιας αντίδρασης κάτω από διαφορετικές θερμοκρασίες αντίδρασης, με τα αποτελέσματα να φαίνονται στοΕικόνες 3 και 4, αντίστοιχα.
Σχήμα 4 Φορτίο αφαίρεσης νιτροποίησης και καμπύλες προσαρμογής στις αερόβιες ζώνες του 1ου και 2ου σταδίου υποσυστημάτων A/O-MBBR σε διαφορετικές θερμοκρασίες αντίδρασης
ΑπόΕικόνα 3, μπορεί να φανεί ότι εντός του συστήματος τριών-σταδίων A/O-MBBR, λόγω των δύο-σημείων εισροής, οι ζώνες αντίδρασης O3 και O4 του πρώτου-σταδίου A/O-υποσυστήματος MBBR και των ζωνών αντίδρασης O7 και O8 του δεύτερου υποστήματος {OBR{10} του δεύτερου υποστήματος {OBR{10} φορτίο του συστήματος. Υπό κανονικές και μεσαίες{12}}συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας, τοΤα ποσοστά συμβολής NH4+-N νιτροποίησης αυτών των δύο υποσυστημάτων ήταν 43,1%, 49,6% και 33,8%, 54,0%, αντίστοιχα. Αυτό δείχνει ότι υπό συνθήκες μέτριας-χαμηλής θερμοκρασίας, ο ρυθμός συνεισφοράς νιτροποίησης NH4⁺-N του υποσυστήματος δεύτερου- σταδίου ήταν 20,2% υψηλότερος από εκείνον του υποσυστήματος πρώτου σταδίου-.
ΑπόΣχήματα 4(α) και (γ), μπορεί να φανεί ότι για τις βιομεμβράνες στις ζώνες αερόβιας αντίδρασης O3 και O7 υπό κανονική θερμοκρασία, είναι οι κύριες ζώνες αντίδρασης στο σύστημα τριών-Α/Ο-MBBR για την αποικοδόμηση της οργανικής ύλης σε συνδυασμό με τη λειτουργία νιτροποίησης. Όταν το φορτίο αφαίρεσης SCOD ανά εμβαδόν επιφάνειας φορέα (συντομογραφία ως "φορτίο αφαίρεσης SCOD", υπολογιζόμενο ως COD) ήταν μικρότερο από 2,0 g/(m²·d) και το φορτίο νιτροποίησης ανά εμβαδόν επιφάνειας φορέα (συντομογραφία "φορτίο νιτροποίησης", υπολογιζόμενο ως Ν) ήταν μικρότερο από 1,6 g/(m² το εμβαδόν απομάκρυνσης του αυτοκινήτου) "φορτίο αφαίρεσης νιτροποίησης", υπολογιζόμενο ως N) και το φορτίο νιτροποίησης ακολούθησαν μια γραμμική αντίδραση πρώτης-τάξης, με κλίσεις 0,83 και 0,84, αντίστοιχα. Όταν το φορτίο νιτροποίησης αυξήθηκε σε 1,6-6,0 g/(m²·d), η σχέση μεταξύ του φορτίου αφαίρεσης νιτροποίησης και του φορτίου νιτροποίησης ακολούθησε μια αντίδραση μηδενικής- τάξης, με αντίστοιχα μέσα φορτία αφαίρεσης νιτροποίησης 1,31 και 1,34 g/(m²·d), αντίστοιχα. Όταν το φορτίο αφαίρεσης SCOD ήταν 2,0-4,0 g/(m²·d) και το φορτίο νιτροποίησης ήταν 1,6-6,0 g/(m²·d), αν και η σχέση αντίδρασης μηδενικής τάξης μεταξύ του φορτίου απομάκρυνσης νιτροποίησης και του φορτίου νιτροποίησης παρέμεινε αμετάβλητη, το αντίστοιχο μέσο φορτίο νιτροποίησης μειώθηκε 90 σε απομάκρυνση. g/(m²·d), αντίστοιχα. Για τις βιομεμβράνες στις ζώνες αερόβιας αντίδρασης O3 και O7 σε μέτρια-χαμηλή θερμοκρασία, όταν το φορτίο αφαίρεσης SCOD ήταν μικρότερο από 2,0 g/(m²·d) και το φορτίο νιτροποίησης ήταν μικρότερο από 1,1 g/(m²·d), οι γραμμικές κλίσεις του φορτίου αφαίρεσης νιτροποίησης έναντι του φορτίου νιτροποίησης μειώθηκαν σε 0.81, αντίστοιχα σε 0.8. Όταν το φορτίο νιτροποίησης αυξήθηκε σε 1,1-6,0 g/(m²·d), τα αντίστοιχα μέσα φορτία αφαίρεσης νιτροποίησης μειώθηκαν σε 0,78 και 0,94 g/(m²·d), αντίστοιχα, αντιπροσωπεύοντας μειώσεις 40,4% και 19,4% σε σύγκριση με κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας. Όταν το φορτίο αφαίρεσης SCOD αυξήθηκε σε 2,0-4,0 g/(m²·d), τα αντίστοιχα μέσα φορτία αφαίρεσης νιτροποίησης μειώθηκαν σε 0,66 και 0,91 g/(m²·d), αντίστοιχα, αντιπροσωπεύοντας μειώσεις 30,5% και 6,2% σε σύγκριση με κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας. Η ικανότητα νιτροποίησης του βιοφίλμ στη ζώνη αντίδρασης Ο3 ήταν σύμφωνη με τα ερευνητικά αποτελέσματα των HEM et al. υπό ανάλογες συνθήκες. Ωστόσο, είναι αξιοσημείωτο ότι υπό συνθήκες μέσης-χαμηλής θερμοκρασίας, σε σύγκριση με το βιοφίλμ της ζώνης αντίδρασης Ο3, το βιοφίλμ της ζώνης αντίδρασης Ο7 εμφάνισε ισχυρότερη ικανότητα νιτροποίησης.
ΑπόΣχήματα 4(β) και (δ), μπορεί να φανεί ότι για τις βιομεμβράνες στις ζώνες αερόβιας αντίδρασης O4 και O8 υπό κανονική θερμοκρασία, είναι οι ζώνες αντίδρασης στο σύστημα τριών{2}} σταδίων A/O-MBBR που εξυπηρετούν κυρίως μια συμπληρωματική λειτουργία νιτροποίησης. Όταν το φορτίο αφαίρεσης SCOD ήταν μικρότερο από 1,0 g/(m²·d) και το φορτίο νιτροποίησης ήταν μικρότερο από 1,3 g/(m²·d), η σχέση μεταξύ του φορτίου αφαίρεσης νιτροποίησης και του φορτίου νιτροποίησης ακολούθησε μια γραμμική αντίδραση πρώτης-τάξης, με κλίσεις 0,86 και 0,88, αντίστοιχα. Όταν το φορτίο νιτροποίησης αυξήθηκε σε 1,3-3,0 g/(m²·d), η σχέση μεταξύ του φορτίου αφαίρεσης νιτροποίησης και του φορτίου νιτροποίησης ακολούθησε μια αντίδραση μηδενικής- τάξης, με αντίστοιχα μέσα φορτία αφαίρεσης νιτροποίησης 1,11 και 1,13 g/(m²·d), αντίστοιχα. Υπό συνθήκες μέσης-χαμηλής θερμοκρασίας, όταν το φορτίο αφαίρεσης SCOD ήταν μικρότερο από 1,0 g/(m²·d) και το φορτίο νιτροποίησης ήταν μικρότερο από 1,0 g/(m²·d), οι γραμμικές κλίσεις του φορτίου αφαίρεσης νιτροποίησης έναντι του φορτίου νιτροποίησης μειώθηκαν σε 0,72 και 0,84, αντίστοιχα. Όταν το φορτίο νιτροποίησης αυξήθηκε σε 1,0-3,0 g/(m²·d), τα αντίστοιχα μέσα φορτία αφαίρεσης νιτροποίησης ήταν 0,72 και 0,86 g/(m²·d), αντίστοιχα, αντιπροσωπεύοντας μειώσεις 35,1% και 23,9% σε σύγκριση με τις κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας.
Από την παραπάνω ανάλυση, μπορεί να φανεί ότι σε μεσαίες-χαμηλές θερμοκρασίες, τα σημεία καμπής της σχέσης μεταξύ του φορτίου αφαίρεσης νιτροποίησης και του φορτίου νιτροποίησης για το βιοφίλμ σε κάθε ζώνη αντίδρασης εμφανίστηκαν νωρίτερα σε σύγκριση με την κανονική θερμοκρασία. Αυτό το φαινόμενο είναι σχετικά συνεπές με τα ερευνητικά αποτελέσματα του SAFWAT. Συνολικά, αν και η ικανότητα νιτροποίησης του βιοφίλμ σε κάθε αερόβια ζώνη του συστήματος παρουσίασε πτωτική τάση σε μεσαίες-χαμηλές θερμοκρασίες,η ικανότητα νιτροποίησης του βιοφίλμ στη ζώνη αντίδρασης O7 του δεύτερου-σταδίου A/O-υποσυστήματος MBBR αυξήθηκε κατά 20,5%-37,9% σε σύγκριση με τη ζώνη αντίδρασης O3 και η ικανότητα νιτροποίησης του βιοφίλμ στη ζώνη αντίδρασης O8 αυξήθηκε κατά περίπου 19,4% σε σύγκριση με τη ζώνη αντίδρασης O4. Αυτό υποδηλώνει ότι η ρύθμιση της ζώνης αντίδρασης δεύτερου σταδίου-στο σύστημα τριών-σταδίων A/O-MBBR είναι ευεργετική για τη βελτίωση της συνολικής ικανότητας νιτροποίησης του συστήματος.
2.3 Αλλαγές στην ικανότητα απονιτροποίησης βιοφίλμ σε κάθε ζώνη ανοξικής αντίδρασης κάτω από διαφορετικές θερμοκρασίες αντίδρασης
Για να αξιολογηθούν οι αλλαγές στην ικανότητα απονιτροποίησης του συστήματος τριών σταδίων A/O-MBBR από μια συνολική προοπτική, αυτή η μελέτη ανέλυσε την ικανότητα απονιτροποίησης του βιοφίλμ σε κάθε ζώνη ανοξικής αντίδρασης κάτω από διαφορετικές θερμοκρασίες αντίδρασης, με τα αποτελέσματα να φαίνονται στοΕικόνα 5.
Εικόνα 5 Φορτίο αφαίρεσης απονιτροποίησης σε κάθε ανοξική ζώνη του συστήματος τριών σταδίων A/O-MBBR υπό διαφορετικές θερμοκρασίες αντίδρασης
ΑπόΣχήματα 5(α) και (γ), μπορεί να φανεί ότι για τις ζώνες ανοξικής αντίδρασης Α1 και Α5, είναι οι κύριες ζώνες απονιτροποίησης στο σύστημα τριών-σταδίων A/O-MBBR που χρησιμοποιεί πηγές άνθρακα ακατέργαστου νερού ως υπόστρωμα. Υπό κανονικές και μεσαίες{5}}συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας, όταν ο αντίστοιχος λόγος ανοξικής απονιτροποίησης άνθρακα{-προς-αζώτου (ΔCBSCOD / CNOx--N) ήταν μεγαλύτερος από 5,0 και το φορτίο απονιτροποίησης ανά εμβαδόν επιφάνειας φορέα (συντομογραφία ως "υπολογίζεται ως " Το NOx--N) ήταν μικρότερο από 0,95 g/(m²·d), η σχέση μεταξύ του φορτίου αφαίρεσης απονιτροποίησης ανά εμβαδόν επιφάνειας φορέα (συντομογραφία ως "φορτίο αφαίρεσης απονιτροποίησης", υπολογιζόμενο ως NOx--N) και το φορτίο απονιτροποίησης που ακολούθησε μια πρώτη γραμμή αντίδρασης}},8,8{4{101}, με την πρώτη γραμμή{10} 0,88 και 0,82, 0,84, αντίστοιχα. Όταν το φορτίο απονιτροποίησης αυξήθηκε πάνω από 0,95 g/(m²·d), η σχέση μεταξύ του φορτίου αφαίρεσης απονιτροποίησης και του φορτίου απονιτροποίησης ακολούθησε μια αντίδραση μηδενικής{{35} τάξης, με τα αντίστοιχα μέσα φορτία αφαίρεσης απονιτροποίησης 0,82, 0,82 g/(m²·d) και 0,78, g/m², αντίστοιχα, (0.7·d), (0.7·d, αντίστοιχα) Καθώς το ΔCBSCOD / CNOx--N μειώθηκε, το σημείο καμπής της σχέσης μεταξύ του φορτίου αφαίρεσης απονιτροποίησης και του φορτίου απονιτροποίησης μετατοπίστηκε προς τα εμπρός, η γραμμική κλίση υπό συνθήκες χαμηλού φορτίου έδειξε πτωτική τάση και ταυτόχρονα, το μέσο φορτίο αφαίρεσης απονιτροποίησης σε συνθήκες υψηλού φορτίου έδειξε επίσης πτωτική τάση. Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι για την απονιτροποίηση βιοφίλμ στις ζώνες αντίδρασης Α1 και Α5 με χρήση πηγών άνθρακα ακατέργαστου νερού, η αναλογία άνθρακα προς άζωτο είναι ο κύριος παράγοντας που καθορίζει τη λειτουργία απονιτροποίησης και υπό τις συνθήκες ποιότητας του νερού δοκιμής, η ιδανική αναλογία άνθρακα προς άζωτο για τις ζώνες ανοξικής αντίδρασης Α1 και Α5 θα πρέπει να είναι μεγάλη από τις ζώνες ανοξικής αντίδρασης Α1 και Α5.
Από τα σχήματα 5(β) και (δ), μπορεί να φανεί ότι για τις ζώνες ανοξικής αντίδρασης Α2 και Α6, επειδή οι ζώνες ανοξικής αντίδρασης Α1 και Α5 αφαίρεσαν και κατανάλωσαν τις πηγές άνθρακα στα ακατέργαστα λύματα και το μεγαλύτερο μέρος των νιτρικών που μεταφέρονταν από τη ροή ανακυκλοφορίας, οι ζώνες ανοξικής αντίδρασης Α2 και Α6 ήταν μακροπρόθεσμα σε κατάσταση χαμηλού υποστρώματος{{8}. Επομένως, υπό συνθήκες κανονικής και μεσαίας{10}}χαμηλής θερμοκρασίας, όταν το ΔCBSCOD / CNOx--N ήταν μεταξύ 1,0-2,0 και το φορτίο απονιτροποίησης ήταν μικρότερο από 0,50 g/(m²·d), οι γραμμικές κλίσεις του φορτίου αφαίρεσης απονιτροποίησης έναντι του φορτίου απονιτροποίησης ήταν μόνο 0,4,47, 0,50, 0,47, 0,50, αντίστοιχα. Επιπλέον, όταν το φορτίο απονιτροποίησης αυξήθηκε σε 0,50-1,50 g/(m2·d), τα αντίστοιχα μέσα φορτία αφαίρεσης απονιτροποίησης ήταν μόνο 0,25, 0,20 και 0,20, 0,17 g/(m2·d), αντίστοιχα. Ωστόσο, τα αποτελέσματα στατικού πειράματος σε αυτή τη μελέτη έδειξαν ότι υπό συνθήκες επαρκούς πηγής άνθρακα και υποστρώματος νιτρικού, το φορτίο απονιτροποίησης του βιοφίλμ στις ζώνες ανοξικής αντίδρασης Α2 και Α6 θα μπορούσε να φτάσει (0,66±0,14) και (0,68±0,11) g/(m²·d), αντίστοιχα. Αυτό το αποτέλεσμα αντικατοπτρίζει ότι το βιοφίλμ στις ζώνες ανοξικής αντίδρασης Α2 και Α6 διαθέτει στην πραγματικότητα σχετικά ισχυρή ικανότητα απονιτροποίησης, η οποία περιορίζεται από την έλλειψη πηγής άνθρακα και νιτρικών υποστρωμάτων σε αυτό το πιλοτικό σύστημα.
ΑπόΕικόνα 5(ε), μπορεί να φανεί ότι για τη ζώνη ανοξικής αντίδρασης Α9, φέρει το φορτίο απονιτροποίησης για όλα τα νιτρικά που ρέουν από τα δύο πρώτα στάδια του συστήματος τριών- σταδίων A/O-MBBR, χρησιμοποιώντας εξωτερικά προστιθέμενο οξικό νάτριο ως πηγή άνθρακα απονιτροποίησης. Υπό κανονικές και μεσαίες{4}}συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας, όταν το ΔCBSCOD / CNOx--Ν ήταν μεγαλύτερο από 5 και το φορτίο απονιτροποίησης ήταν μικρότερο από 2,5 g/(m²·d), η σχέση μεταξύ του φορτίου αφαίρεσης απονιτροποίησης και του φορτίου απονιτροποίησης ακολούθησε μια πρώτη{. αντίστοιχα. Ωστόσο, καθώς το ΔCBSCOD / CNOx--N μειώθηκε, η γραμμική κλίση της σχέσης μεταξύ του φορτίου αφαίρεσης απονιτροποίησης και του φορτίου απονιτροποίησης παρουσίασε πτωτική τάση. Αυτό το αποτέλεσμα υποδεικνύει επίσης ότι για την απονιτροποίηση βιοφίλμ στη ζώνη αντίδρασης Α9 με χρήση εξωτερικής πηγής άνθρακα, η αναλογία άνθρακα προς άζωτο είναι επίσης ο κύριος παράγοντας που καθορίζει τη λειτουργία απονιτροποίησης, με απαιτούμενη αναλογία άνθρακα προς άζωτο απονιτροποίησης μεγαλύτερη από 3. Ταυτόχρονα, η επίδραση των σχετικών μικρών αλλαγών θερμοκρασίας της αντίδρασης επηρεάζει τη λειτουργία της απονιτροποίησης.
2.4 Ικανότητα νιτροποίησης και μορφολογικά χαρακτηριστικά βιοφίλμ σε κάθε ζώνη αερόβιας αντίδρασης υπό στατικές πειραματικές συνθήκες
Η ικανότητα νιτροποίησης του βιοφίλμ σε κάθε ζώνη αερόβιας αντίδρασης υπό στατικές πειραματικές συνθήκες παρουσιάζεται στοΕικόνα 6. Από το Σχήμα 6, μπορεί να φανεί ότι υπό κανονική θερμοκρασία, οι ικανότητες νιτροποίησης του βιοφίλμ στις ζώνες αερόβιας αντίδρασης O3, O4, O7 και O8 ήταν (1,37±0,21), (1,23±0,15), (1,40±0,20) και (1,25±0,13 g/αντίστοιχα) Σε μεσαία-χαμηλή θερμοκρασία, οι ικανότητες νιτροποίησης του βιοφίλμ στις αντίστοιχες ζώνες αερόβιας αντίδρασης ήταν (1,07±0,01), (1,00±0,04), (1,08±0,09) και (1,03±0,05) g/(m²·d), μειώθηκαν κατά 1,07±0,01%, (1,00±0,04), (1,08±0,09) και (1,03±0,05) g/(m²·d), 1,8%, 2,9%, αντίστοιχα, μειώθηκαν 17,6% σε σύγκριση με την κανονική θερμοκρασία. Αυτά τα αποτελέσματα στατικού πειράματος είναι συνεπή με την τάση των μετρούμενων τιμών στο πιλοτικό σύστημα. Επιπλέον, μπορεί να παρατηρηθεί ότι η μετρούμενη ικανότητα νιτροποίησης του βιοφίλμ σε κάθε αερόβια ζώνη υπό στατικές πειραματικές συνθήκες ήταν κάπως υψηλότερη από τις πραγματικές τιμές στο πιλοτικό σύστημα. Η ανάλυση το αποδίδει στη χρήση ενός μόνο υποστρώματος αζώτου αμμωνίου και σε συνθήκες σχεδόν κορεσμένου υψηλού διαλυμένου οξυγόνου κατά τη διάρκεια των στατικών πειραμάτων, οδηγώντας σε υψηλότερο επίπεδο ικανότητας νιτροποίησης βιοφίλμ. Υπό κανονική θερμοκρασία, οι πραγματικές ικανότητες νιτροποίησης στις ζώνες αντίδρασης O3, O4, O7 και O8 του συστήματος τριών σταδίων A/O-MBBR ήταν 95,6%, 90,6%, 95,7% και 90,4% της μέγιστης ικανότητας νιτροποίησης υπό στατικά πειράματα, αντίστοιχα. Σε μεσαία{44}}χαμηλή θερμοκρασία, οι πραγματικές ικανότητες νιτροποίησης στις ζώνες αντίδρασης O3, O4, O7 και O8 μειώθηκαν σε 72,9%, 72,0%, 87,0% και 84,5%, αντίστοιχα.
Περαιτέρω ανάλυση έδειξε ότι υπό κανονική θερμοκρασία, οι ειδικοί ρυθμοί οξείδωσης αμμωνίας (ρυθμός νιτροποίησης ανά μονάδα μάζας MLVSS, υπολογισμένος ως Ν) του βιοφίλμ στις ζώνες αερόβιας αντίδρασης O3, O4, O7 και O8 ήταν (0,062±0,0095), (0,059±0,0072), (0,059±0,0060±0,0072), και (0.0. (0,060±0,0063) g/(g·d), αντίστοιχα. Σε μεσαία{13}}χαμηλή θερμοκρασία, οι ειδικοί ρυθμοί οξείδωσης αμμωνίας του βιοφίλμ στις ζώνες αερόβιας αντίδρασης O3 και O4 ήταν μόνο (0,046±0,0004) και (0,041±0,0016) g/(g·d), αντίστοιχα, μειώνοντας κατά 25,5% σε σύγκριση με την κανονική θερμοκρασία κατά 25,8% και 3. Αντίθετα, οι ειδικοί ρυθμοί οξείδωσης αμμωνίας του βιοφίλμ στις ζώνες αερόβιας αντίδρασης O7 και O8 ήταν (0,062±0,0051) και (0,060±0,0029) g/(g·d), αντίστοιχα. Σε σύγκριση με τις κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας, η ικανότητα οξείδωσης αμμωνίας του βιοφίλμ της ζώνης αντίδρασης O8 παρέμεινε αμετάβλητη, ενώ η ικανότητα οξείδωσης αμμωνίας του βιοφίλμ της ζώνης αερόβιας αντίδρασης O7 αυξήθηκε ακόμη και κατά 3,3%. Αυτό το αποτέλεσμα καταδεικνύει ότι υπό συνθήκες μέτριας-χαμηλής θερμοκρασίας, το βιοφίλμ στη ζώνη αντίδρασης δεύτερου-σταδίου του πιλοτικού συστήματος έχει καλύτερη ικανότητα νιτροποίησης και τη συνεισφορά του υποσυστήματος δεύτερου{36}}σταδίου στη συνολική νιτροποίηση του συστήματος.
Τα αποτελέσματα παρατήρησης της μορφολογίας του βιοφίλμ σε κάθε ζώνη αερόβιας αντίδρασης του πρώτου και δεύτερου σταδίου υποσυστημάτων A/O-MBBR φαίνονται στοΕικόνα 7. Υπό κανονική θερμοκρασία, τα πάχη βιοφίλμ στις ζώνες αερόβιας αντίδρασης O3, O4, O7 και O8 ήταν (217,6±54,6), (175,7±38,7), (168,1±38,2) και (152,4±37,8) μm, αντίστοιχα. Σε μεσαία{14}}χαμηλή θερμοκρασία, τα πάχη βιοφίλμ στις ζώνες αντίδρασης O3 και O4 ήταν (289,4±59,9) και (285,3±61,9) μm, αντίστοιχα, αντιπροσωπεύοντας αυξήσεις 33,0% και 62,4% σε σύγκριση με το πάχος του βιοφίλμ υπό κανονική θερμοκρασία. Αντίθετα, τα πάχη του βιοφίλμ στις ζώνες αντίδρασης O7 και O8 ήταν (173,1±40,2) και (178,3±31,2) μm, αντίστοιχα, αυξάνοντας μόνο κατά 3,0% και 17,0% σε σύγκριση με την κανονική θερμοκρασία. Ορισμένες μελέτες έχουν δείξει ότι τα λεπτότερα βιοφίλμ έχουν ισχυρότερη ικανότητα οξείδωσης αμμωνίας, η οποία είναι σχετικά συνεπής με τα πειραματικά αποτελέσματα αυτής της μελέτης. Η ανάλυση αποδίδει αυτό στο γεγονός ότι τα νιτροποιητικά βακτήρια στο βιοφίλμ κατανέμονται κατακόρυφα στη στρωματοποιημένη δομή του βιοφίλμ. Το υπερβολικό πάχος βιοφίλμ οδηγεί σε μειωμένη απόδοση μεταφοράς μάζας υποστρώματος και συγγένεια υποστρώματος. Επιπλέον, υπό συνθήκες μεσαίας{35}χαμηλής θερμοκρασίας, η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου σε κάθε αερόβια ζώνη του πιλοτικού συστήματος ήταν πολύ χαμηλότερη από αυτή στον αντιδραστήρα στατικού πειράματος (διαφορετική κατά 3,0-5,0 mg/L). Ειδικά για τα παχύτερα βιοφίλμ στις ζώνες αντίδρασης O3 και O4, η μείωση της ικανότητας μεταφοράς μάζας οξυγόνου εντός του βιοφίλμ οδήγησε σε μείωση της πραγματικής ικανότητας νιτροποίησης (μόνο περίπου το 70% της μέγιστης ικανότητας νιτροποίησης που μετρήθηκε υπό στατικές συνθήκες). Επομένως, για ένα καθαρό βιοφίλμ MBBR, είναι απαραίτητο να ενισχυθεί η ανανέωση του βιοφίλμ με την ενίσχυση της έντασης διάτμησης και τον εύλογο έλεγχο του πάχους του βιοφίλμ για τη διατήρηση της ικανότητας νιτροποίησης του βιοφίλμ.
3. Συμπέρασμα
① Υπό συνθήκες θερμοκρασίας αντίδρασης 10-16 βαθμών (μέτρια-χαμηλή θερμοκρασία), ταχύτητα ροής επεξεργασίας (23,6±5,4) m³/d και δόση πηγής άνθρακα 50-90 mg/L (υπολογισμένη ως COD) στην ανοξική ζώνη του υποστήματος {OBR7} του τρίτου στελέχους{8} Οι συγκεντρώσεις εκροής SCOD, NH4+-N και TIN του πιλοτικού συστήματος A/O-MBBR τριών σταδίων ήταν (26±6), (0,4±0,6) και (6,8±3,6) mg/L, αντίστοιχα, μετα μέσα ποσοστά αφαίρεσης φθάνουν το 82,3%, 99,0% και 82,8%.
② Σε συνθήκες μέτριας-χαμηλής θερμοκρασίας, λόγω διαφορών στο βιοφίλμ των ζωνών αερόβιας αντίδρασης μεταξύ του πρώτου-σταδίου και του δεύτερου{2}}σταδίου A/O-MBBR υποσυστημάτων, δημιουργήθηκε μια διαφορά στην ικανότητα νιτροποίησης του βιοφίλμ μεταξύ των δύο υποσυστημάτων. Ειδικά για το πρώτο-στάδιο A/O-υποσύστημα MBBR, η ικανότητα νιτροποίησης μειώθηκε λόγω του αυξημένου πάχους βιοφίλμ. Για να διατηρηθεί η ικανότητα νιτροποίησης του βιοφίλμ, είναι απαραίτητος ο εύλογος έλεγχος του πάχους του βιοφίλμ.
③ Στο πιλοτικό σύστημα τριών-σταδίων A/O-MBBR, η επίδραση των αλλαγών της θερμοκρασίας της αντίδρασης στη λειτουργία απονιτροποίησης ήταν σχετικά μικρή. Κάτω από διαφορετικές θερμοκρασίες αντίδρασης, η αναλογία άνθρακα απονιτροποίησης-προς-άζωτο με χρήση ακατέργαστου νερού ως πηγή άνθρακα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 5, και η αναλογία άνθρακα-προς-απονιτροποίησης με χρήση εξωτερικά προστιθέμενου οξικού νατρίου ως πηγή άνθρακα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 3.