Επίδραση A2O-MBBR + Συνδυασμένη Διαδικασία Κατασκευασμένων Υγροτόπων για Επεξεργασία Αγροτικών Εγχώριων Λυμάτων

Επίδραση της συνδυασμένης τεχνολογίας A2O-MBBR + CWs για την επεξεργασία αγροτικών οικιακών λυμάτων

Τα τελευταία χρόνια, το κράτος προωθεί σε βάθος τη στρατηγική ανάπτυξης της αγροτικής αναζωογόνησης, εστιάζοντας στη βελτίωση του περιβάλλοντος διαβίωσης και θέτοντας υψηλότερες απαιτήσεις για την επεξεργασία αγροτικών οικιακών λυμάτων. Επί του παρόντος, οι κύριες διαδικασίες για την επεξεργασία αγροτικών οικιακών λυμάτων περιλαμβάνουν βιολογικές μεθόδους, οικολογικές μεθόδους και συνδυασμένες διεργασίες, οι περισσότερες από τις οποίες προέρχονται από την επεξεργασία αστικών λυμάτων. Ωστόσο, οι αγροτικές περιοχές χαρακτηρίζονται από διάσπαρτους πληθυσμούς, οδηγώντας σε πολυάριθμα προβλήματα, όπως υψηλή διασπορά των λυμάτων, δυσκολία στη συλλογή, μικρές κλίμακες επεξεργασίας, χαμηλά ποσοστά χρήσης πόρων και ανεπαρκείς εγκαταστάσεις επεξεργασίας. Επιπλέον, υπάρχουν σημαντικές διαφορές στην ποιότητα και την ποσότητα των λυμάτων, τη γεωγραφική θέση, το κλίμα και τα οικονομικά επίπεδα μεταξύ των περιοχών, γεγονός που καθιστά δύσκολη την τυποποίηση των τεχνολογιών επεξεργασίας. Η απλή υιοθέτηση τεχνολογιών επεξεργασίας αστικών λυμάτων δεν είναι εφικτή. Η υποδομή για τη συλλογή των λυμάτων, όπως τα δίκτυα αποχέτευσης, είναι συχνά ανεπαρκής στις αγροτικές περιοχές. Η συλλογή των λυμάτων επηρεάζεται εύκολα από τις συνδυασμένες υπερχειλίσεις αποχετεύσεων και τη διείσδυση των υπόγειων υδάτων, με αποτέλεσμα χαμηλή οργανική συγκέντρωση στα λύματα και αυξημένη δυσκολία στη βιολογική απομάκρυνση του αζώτου. Οι μεγάλες διακυμάνσεις στην ποιότητα και την ποσότητα των λυμάτων στις αγροτικές περιοχές καθιστούν δύσκολη τη διατήρηση σταθερής συγκέντρωσης βιομάζας στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας. Επιπλέον, οι χαμηλές χειμερινές θερμοκρασίες περιορίζουν την ικανότητα βιολογικής επεξεργασίας, οδηγώντας σε χαμηλή απόδοση και ασταθή ποιότητα λυμάτων που είναι επιρρεπής σε υπέρβαση των προτύπων στις παραδοσιακές διεργασίες ενεργού ιλύος. Ως εκ τούτου, υπάρχει επείγουσα ανάγκη ανάπτυξης τεχνολογιών επεξεργασίας λυμάτων κατάλληλων για τοπικές συνθήκες, με ισχυρή αντοχή σε κρουστικά φορτία, σταθερή μακροχρόνια-λειτουργία, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και υψηλή απόδοση επεξεργασίας.

Οι αγροτικές περιοχές στην Κίνα τείνουν να προτιμούν τις τεχνολογίες επεξεργασίας οικιακών λυμάτων με χαμηλό-κόστο-εύκολο{-στη διαχείριση οικιακών λυμάτων, με τις βιολογικές και οικολογικές συνδυασμένες διεργασίες να αποτελούν κύρια ερευνητική κατεύθυνση. Επί του παρόντος, ο ευρέως χρησιμοποιούμενος ολοκληρωμένος συσκευασμένος εξοπλισμός επεξεργασίας λυμάτων σε αγροτικές περιοχές χρησιμοποιεί κυρίως διαδικασίες όπως το Anaerobic-Anoxic-Oxic (A2O) και το Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Οι μελέτες δείχνουν ότι η διαδικασία MBBR βασίζεται περισσότερο στον σχεδιασμό της εγκατάστασης παρά στον ακριβή λειτουργικό έλεγχο, χωρίς να απαιτείται επαγγελματικό τεχνικό προσωπικό για ρύθμιση, γεγονός που την καθιστά βολική για λειτουργία και συντήρηση. Αυτό είναι πιο κατάλληλο για τις πρακτικές ανάγκες της επεξεργασίας αγροτικών οικιακών λυμάτων όπου το τεχνικό προσωπικό είναι σπάνιο. Τα πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν υψηλή συγκέντρωση βιομάζας, ισχυρή αντοχή σε φορτία κραδασμών, υψηλή απόδοση επεξεργασίας και μικρό αποτύπωμα. Έρευνα των Luo Jiawen et al. υποδεικνύει ότι η προσθήκη μέσων MBBR στη διαδικασία A2O μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων. Οι Zhou Zhengbing et al., σε ένα πραγματικό έργο αγροτικών οικιακών λυμάτων, σχεδίασαν μια συνδυασμένη διαδικασία δύο-αναερόβιων/ανοξικών{17}}βιολογικών αεριζόμενων φίλτρων δύο σταδίων, επιτυγχάνοντας σταθερή ποιότητα αποβλήτων που πληροί το πρότυπο Grade A του GB 18918{{28}2002 Standard Watwaterwater του "Dicipmentaltchartge" Φυτά». Επιπλέον, οι Κατασκευασμένοι Υγρότοποι (CWs) χρησιμοποιούνται συχνά για την επεξεργασία αγροτικών οικιακών λυμάτων. Για παράδειγμα, οι Zhang Yang et al. χρησιμοποίησε το βιοκάρβουνο ως πληρωτικό για να τροποποιήσει έναν κατασκευασμένο υγρότοπο, διαπιστώνοντας ότι τα ποσοστά απομάκρυνσης για TN, TP και COD θα μπορούσαν να φτάσουν το 99,41%, 91,40% και 85,09%, αντίστοιχα. Προηγούμενη έρευνα από την ομάδα μας έδειξε επίσης ότι το πληρωτικό βιοαπάνθρακα λάσπης θα μπορούσε να βελτιώσει την απόδοση αφαίρεσης αζώτου και φωσφόρου των κατασκευασμένων υγροτόπων, βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα και αποτελεσματικότητα επεξεργασίας του συστήματος συνολικά και καθιστώντας το σύστημα πιο ανθεκτικό σε φορτία κραδασμών. Με βάση την παραπάνω έρευνα, για τη διερεύνηση μιας συνδυασμένης τεχνολογίας κατάλληλης για την επεξεργασία αγροτικών οικιακών λυμάτων και την αντιμετώπιση προκλήσεων όπως η δυσκολία διατήρησης σταθερής συγκέντρωσης βιομάζας, η ασθενής αντοχή σε κρουστικά φορτία και η ποιότητα των λυμάτων επιρρεπής σε διακυμάνσεις και υπέρβαση των προτύπων στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας αγροτικών λυμάτων, ο συγγραφέας τοποθέτησε ένα A2O{29}}MBBR filling it bifilrim to upfront. ενσωματωμένο σταθερό-περιβάλλον ενεργού ιλύος με φιλμ (IFAS), αυξάνοντας τη συγκέντρωση ιλύος συστήματος και βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας. Λαμβάνοντας υπόψη την οικολογική χρήση των διαθέσιμων αδρανών εκτάσεων όπως λιμνούλες και βυθίσματα σε αγροτικές περιοχές και συνδυάζοντας κατασκευασμένους υγροτόπους ως διαδικασία επεξεργασίας στίλβωσης, χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι όπως η χρήση πληρωτικού βιοαπάνθρακα λάσπης, η ανακυκλοφορία νιτροποιημένου υγρού και η φύτευση βυθισμένων φυτών για την ενίσχυση της λειτουργικής σταθερότητας του σύνθετου υγρού εδάφους. Έτσι, κατασκευάστηκε μια συνδυασμένη διαδικασία A2O-MBBR + CWs.

Σε αυτήν τη μελέτη, χρησιμοποιώντας ως αντικείμενο επεξεργασίας ακατέργαστα λύματα από μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων χωριού στο Hefei, κατασκευάστηκε μια πιλοτική-πειραματική ρύθμιση κλίμακας της συνδυασμένης διαδικασίας A2O-MBBR + CWs. Διερευνήθηκε η επίδραση των εποχιακών μεταβολών της θερμοκρασίας του νερού στην απόδοση επεξεργασίας του. Οι δείκτες ρύπων στην εισροή και την εκροή παρακολουθήθηκαν κατά τη λειτουργία για να διερευνηθούν οι αποτελεσματικότητες απομάκρυνσης και η λειτουργική σταθερότητα. Ταυτόχρονα, αναλύθηκε η οικονομική σκοπιμότητα της διαδικασίας. Στόχος είναι η παροχή δεδομένων αναφοράς και βάσης για την εφαρμογή της συνδυασμένης τεχνολογίας κατασκευασμένων υγροτόπων A2O + σε έργα επεξεργασίας αγροτικών οικιακών λυμάτων στην Κίνα και η προσφορά αναφορών για την προώθηση της επεξεργασίας οικιακών λυμάτων και την κατασκευή όμορφων, οικολογικά βιώσιμων χωριών σε αγροτικές περιοχές.

1. Πειραματική εγκατάσταση και μέθοδοι έρευνας

1.1 Συνδυασμένη ροή διεργασιών

Το πείραμα συνδυασμένης διαδικασίας A2O-MBBR + CWs υιοθέτησε μια σειρά λειτουργίας μιας μονάδας A2O, ενός υγροτόπου υπόγειας ροής με βάση τον άνθρακα-και μιας οικολογικής λίμνης. Η μονάδα A2O αποτελούνταν από μια δεξαμενή αναερόβιας-ανοξικής επαφής με διάφραγμα και μια δεξαμενή αερόβιας μεμβράνης (MBBR). Τόσο η διαφραγμένη αναερόβια δεξαμενή όσο και η ζώνη αερισμού της αερόβιας δεξαμενής MBBR γεμίστηκαν με αιωρούμενα μέσα φορέα βιοφίλμ για να παρέχουν επιφάνειες προσάρτησης για τους μικροοργανισμούς για να σχηματίσουν βιοφίλμ. Η ενεργοποιημένη λάσπη και το βιοφίλμ στις δεξαμενές συνυπήρχαν, σχηματίζοντας ένα σύστημα IFAS, το οποίο μπορούσε να διατηρήσει σταθερά τη βιομάζα του συστήματος. Η μπερδεμένη ανοξική δεξαμενή ενίσχυσε τη διαδικασία απονιτροποίησης μέσω της ανακυκλοφορίας νιτροποιημένου υγρού. Η αερόβια δεξαμενή MBBR είχε ένα σύστημα αερισμού στο κάτω μέρος για να βελτιώσει την απόδοση της νιτροποίησης. Στο εσωτερικό της δεξαμενής τοποθετήθηκε μια θύρα δοσομέτρησης από πολυχλωριούχο αλουμίνιο (PAC) για συμπληρωματική χημική αφαίρεση του φωσφόρου, επιτρέποντας την αποτελεσματική αφαίρεση του φωσφόρου. Η μονάδα CWs περιλάμβανε έναν υδροβιότοπο υπόγειας ροής με βάση τον άνθρακα-και μια βυθισμένη οικολογική λίμνη φυτών. Ο υδροβιότοπος που κατασκευάστηκε-με βάση τον άνθρακα, υιοθέτησε ένα σύστημα φιλτραρίσματος πλήρωσης τριών σταδίων. Δίσκοι αερισμού εγκαταστάθηκαν στο κάτω μέρος της ζώνης πλήρωσης για την αντίστροφη πλύση των μέσων για τον μετριασμό της απόφραξης. Η βυθισμένη οικολογική λίμνη των φυτών είχε ένα στρώμα ασβεστολιθικού υποστρώματος στον πυθμένα και φυτεύτηκε με-ανθεκτικά στο κρύο βυθισμένα φυτά Vallisneria natans και Potamogeton crispus. Η εγκατάσταση τοποθετήθηκε σε εξωτερικούς χώρους. Στην οικολογική λίμνη εγκαταστάθηκε ένα θερμόμετρο για την παρακολούθηση των εποχικών αλλαγών της θερμοκρασίας του νερού. Η λεπτομερής ροή της διαδικασίας της συνδυασμένης διαδικασίας A2O{-MBBR + CWs φαίνεται στοΕικόνα 1.

1.2 Ρύθμιση σχεδίασης και λειτουργικών παραμέτρων

Η πειραματική διάταξη κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας πλάκες πολυπροπυλενίου πάχους 10 mm. Η αναερόβια δεξαμενή με διάφραγμα γεμίστηκε με τετράγωνο μέσο φορέα βιοφίλμ και περιείχε πλάκες διαφράγματος. Η αναλογία ανακυκλοφορίας μικτού υγρού για τη διαφραγμένη ανοξική δεξαμενή ήταν 50%~150%, και περιείχε επίσης πλάκες διαφράγματος. Η αερόβια δεξαμενή MBBR χωρίστηκε με ένα διάφραγμα σε μια αερόβια ζώνη αερισμού και μια ζώνη καθίζησης. Η ζώνη αερισμού γέμισε με αναρτημένα μέσα μεταφοράς MBBR με αναλογία αέρα-προς-νερού 6:1~10:1. Η ζώνη καθίζησης είχε μια θύρα δοσομέτρησης PAC και κεκλιμένες πλάκες για ενίσχυση καθίζησης. Ο υδροβιότοπος υπόγειας ροής με βάση τον άνθρακα{14}: η κύρια ζώνη πλήρωσης γεμίστηκε με ασβεστόλιθο (~5 cm διάμετρος), η δευτερεύουσα ζώνη πλήρωσης με ζεόλιθο (~3 cm διάμετρος) και η τριτογενής ζώνη πλήρωσης με πληρωτικό βιοαπάνθρακα λάσπης (~0,5~1,0 cm διάμετρος). Το ύψος πλήρωσης για κάθε ζώνη ήταν 75 cm. Μια ζώνη κενού πλάτους περίπου 4 cm ορίστηκε μεταξύ της κύριας και της δευτερεύουσας ζώνης πλήρωσης για λειτουργίες όπως η προσθήκη εξωτερικών πηγών άνθρακα, η παρατήρηση και η συντήρηση/άδειασμα (καμία πηγή άνθρακα δεν προστέθηκε κατά τη διάρκεια αυτού του πειράματος). Η βυθισμένη οικολογική λίμνη των φυτών γεμίστηκε με ασβεστολιθικό πληρωτικό (~3 cm διάμετρος) σε ύψος 20 cm. Τα βυθισμένα φυτά φυτεύτηκαν σε απόσταση σειρών 10 cm και απόσταση φυτών 10 cm. Το πείραμα χρησιμοποίησε ακατέργαστα λύματα από μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων χωριού στο Hefei ως εισροή. Η πειραματική περίοδος ήταν από τις 25 Μαΐου 2022 έως τις 17 Ιανουαρίου 2023, συνολικά 239 ημέρες. Τα βυθισμένα φυτά συγκομίστηκαν μία φορά στις 2 Δεκεμβρίου, με συχνότητα περίπου μία φορά κάθε 6 μήνες. Η σχεδιασμένη ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων ήταν 50~210 L/d. Λεπτομερείς παράμετροι σχεδίασης της ρύθμισης εμφανίζονται στοΠίνακας 1.

1.3 Πειραματικές Μέθοδοι

1.3.1 Πειραματικός σχεδιασμός

1.3.1.1 Δοκιμή βέλτιστης ικανότητας επεξεργασίας λυμάτων

Μετά την επιτυχή δοκιμαστική λειτουργία της πειραματικής εγκατάστασης (σταθερή ποιότητα αποβλήτων), η δοκιμή βέλτιστης ικανότητας επεξεργασίας λυμάτων διεξήχθη από τις 25 Μαΐου 2022 έως τις 30 Ιουνίου 2022. Υπό συνθήκες διατήρησης αερόβιας αναλογίας αέρα δεξαμενής-προς-νερό 6:1, νιτροποιημένο υγρό επίμυος και περιεκτικότητα 3001 28%) χρήσης περίπου 3,7 g/d, η ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων της εγκατάστασης αυξήθηκε σταδιακά (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 L/d). Οι αλλαγές στην ποιότητα των λυμάτων παρακολουθήθηκαν για να διερευνηθεί η βέλτιστη ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων της εγκατάστασης. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η θερμοκρασία του νερού κυμαινόταν μεταξύ 24,5-27,1 βαθμών. Για να εξασφαλιστεί σταθερή συμμόρφωση με τα λύματα το χειμώνα, το πρότυπο για τα λύματα που υιοθετήθηκε ήταν το πρότυπο Βαθμού Α του GB 18918-2002 «Πρότυπο απόρριψης ρύπων για εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων».

1.3.1.2 Δοκιμή συνολικής απόδοσης θεραπείας συνδυασμένης διαδικασίας

Η δοκιμαστική περίοδος ήταν από την 1η Ιουλίου 2022 έως τις 17 Ιανουαρίου 2023. Η βέλτιστη ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων ορίστηκε στα 120 L/d. Η αναλογία αερόβιας δεξαμενής-προς-νερού ήταν 6:1~10:1 και η αναλογία ανακυκλοφορίας μικτού υγρού ήταν 50%~150%. Δείκτες ποιότητας νερού εισροής και εκροής (TN, TP, NO₃^--N, NH₄⁺-N και COD) από κάθε μονάδα διεργασίας παρακολουθήθηκαν. Καταγράφηκαν οι μεταβολές της θερμοκρασίας του νερού κατά την περίοδο δοκιμής (επηρεασμένες από το εποχικό κλίμα). Αναλύθηκε η απόδοση επεξεργασίας της συνδυασμένης διαδικασίας A2O-MBBR + CWs για αγροτικά οικιακά λύματα και διερευνήθηκε η επίδραση των εποχιακών αλλαγών θερμοκρασίας του νερού στην απόδοση της συνδυασμένης διεργασίας.

1.3.2 Δειγματοληψία

Κατά τη διάρκεια της περιόδου δοκιμής, τα δείγματα ελήφθησαν ακανόνιστα (περίπου 1-2 φορές την εβδομάδα) για έλεγχο ποιότητας του νερού. Συλλέχθηκαν δείγματα από την εισροή εγκατάστασης, τα διαφράγματα αναερόβια-ανοξικά απόβλητα δεξαμενής, τα αερόβια λύματα δεξαμενής MBBR, τα απόβλητα υγροτόπων υποεπιφανειακής ροής με βάση τον άνθρακα- και τα λύματα οικολογικής λίμνης βυθισμένων φυτών. Ελήφθησαν δείγματα εισροής από τον σωλήνα εισόδου της εγκατάστασης και δείγματα εκροής από την έξοδο κάθε μονάδας. Ο έλεγχος του δείκτη ποιότητας του νερού ολοκληρώθηκε την ίδια ημέρα της δειγματοληψίας. Οι δοκιμασμένοι δείκτες περιελάμβαναν TN, TP, NO₃^--N, NH₄⁺-Ν και COD. Κάθε φορά που λαμβάνονταν δείγματα, καταγράφηκε η ένδειξη της θερμοκρασίας του νερού από το θερμόμετρο στην οικολογική λίμνη (που κυμαινόταν μεταξύ 0-32 μοίρες). Η θερμοκρασία του νερού στην οικολογική λίμνη άλλαξε φυσικά με τις εποχιακές διαφορές θερμοκρασίας. Το σχεδιασμένο πρότυπο λυμάτων για την πειραματική εγκατάσταση ακολούθησε το πρότυπο Βαθμού Α του DB 34/3527-2019 «Πρότυπο απόρριψης υδάτινων ρύπων για εγκαταστάσεις επεξεργασίας οικιακών λυμάτων της υπαίθρου». Οι σχεδιασμένες συγκεντρώσεις εισροής και τα πρότυπα εκροής περιγράφονται λεπτομερώς στοΠίνακας 2.

1.3.3 Μέθοδοι Ανάλυσης Ποιότητας Νερού

Η συγκέντρωση TN σε δείγματα νερού προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας HJ 636-2012 "Water quality - Determination of total nitrogen - Alkaline potassium persulfate digestion φασματοφωτομετρική μέθοδος UV". ΟΧΙ₃^--Η συγκέντρωση Ν προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας HJ/T 346-2007 "Water quality - Προσδιορισμός νιτρικού αζώτου - Φασματοφωτομετρία υπεριώδους (Δοκιμαστική)". NH₄⁺-Η συγκέντρωση N προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας HJ 535-2009 "Water quality - Determination of ammonia nitrogen - Nessler's reagent spectrophotometry". Το COD προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας HJ 828-2017 "Water quality - Determination of chemical oxygen demand - Dichromate method". Η συγκέντρωση ΤΡ προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας GB 11893-1989 "Water quality - Determination of total phosphorus - Ammonium molybdate spectrophotometric method".

2. Αποτελέσματα και Συζήτηση

2.1 Επίδραση της ικανότητας επεξεργασίας λυμάτων στην απόδοση της συνδυασμένης διεργασίας

Όπως φαίνεται στοΕικόνα 2 (α)(β), καθώς η ημερήσια ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων αυξήθηκε σταδιακά από 50 L/d σε 210 L/d, οι αποδόσεις απομάκρυνσης των TN και NH₄⁺-Ν από κάθε μονάδα της συνδυασμένης διαδικασίας έδειξε πτωτική τάση. Ο ρυθμός αφαίρεσης TN μειώθηκε από 91,55% (50 L/d) σε 52,17% (210 L/d) και NH₄⁺-Το ποσοστό αφαίρεσης N μειώθηκε από 97,47% (70 L/d) σε 80,68% (210 L/d). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η αύξηση της ημερήσιας ικανότητας επεξεργασίας λυμάτων μειώνει τον υδραυλικό χρόνο κατακράτησης, μειώνοντας τον διαθέσιμο χρόνο για την αποικοδόμηση των ρύπων από μικροοργανισμούς, με αποτέλεσμα χαμηλότερη απόδοση επεξεργασίας. Μεταξύ αυτών, η μονάδα A2O συνέβαλε τα περισσότερα στην TN και NH₄⁺-Ν κατάργηση. Η μέση συγκέντρωση εισροής ΤΝ για αυτή τη μονάδα ήταν 38,68 mg/L, η εκροή ήταν 16,87 mg/L, με ρυθμό απομάκρυνσης 56,29%. Η μέση εισερχόμενη NH₄⁺-Η συγκέντρωση Ν ήταν 36,29 mg/L, η εκροή ήταν 5,50 mg/L, με ρυθμό απομάκρυνσης 84,85%. Για τον υδροβιότοπο υπόγειας ροής με βάση τον άνθρακα, η μέση συγκέντρωση εισροής ΤΝ ήταν 16,87 mg/L, τα λύματα ήταν 11,96 mg/L, με ρυθμό απομάκρυνσης 29,10%. Για την οικολογική λίμνη των βυθισμένων φυτών, η μέση συγκέντρωση εισροής ΤΝ ήταν 11,96 mg/L, η εκροή ήταν 9,47 mg/L, με ρυθμό απομάκρυνσης 20,82%. Η απόδοση απομάκρυνσης αζώτου του υγροτόπου υπόγειας ροής με βάση τον άνθρακα-είναι καλύτερη από εκείνη της οικολογικής λίμνης επειδή το αναερόβιο-ανοξικό περιβάλλον του υγροτόπου υπόγειας ροής είναι πιο κατάλληλο για απονιτροποίηση. Ωστόσο, το NH₄⁺-Η απόδοση της απομάκρυνσης της οικολογικής λίμνης ήταν καλύτερη από εκείνη του υγροτόπου υπόγειας ροής. Η μέση εισερχόμενη NH₄⁺-Η συγκέντρωση Ν για τον υδροβιότοπο υπόγειας ροής με βάση τον άνθρακα- ήταν 5,50 mg/L, τα λύματα ήταν 4,04 mg/L, με ρυθμό απομάκρυνσης μόνο 26,53%. Για την οικολογική λίμνη, η μέση εισερχόμενη NH₄⁺-Η συγκέντρωση Ν ήταν 4,04 mg/L, η εκροή ήταν 2,38 mg/L, με ρυθμό απομάκρυνσης 41,07%. Αυτό συμβαίνει επειδή το αερόβιο περιβάλλον της οικολογικής λίμνης είναι πιο κατάλληλο για νιτροποίηση, μετατρέποντας περισσότερη NH₄⁺-Ν σε ΟΧΙ₃^--Ν, με αποτέλεσμα υψηλότερο NH₄⁺-Ν ποσοστό αφαίρεσης. Όταν η ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων έφτασε τα 150 L/d, η συγκέντρωση TN εκροής ήταν 15,11 mg/L, υπερβαίνοντας το πρότυπο Βαθμού Α του GB 18918-2002. Επομένως, για να εξασφαλιστεί σταθερή συμμόρφωση με το TN, η μέγιστη ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων ήταν 120 L/d. Όταν η ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων έφτασε τα 210 L/d, η εκροή ΝΗ₄⁺-Η συγκέντρωση Ν ήταν 7,07 mg/L, υπερβαίνοντας το πρότυπο Grade A του GB 18918-2002. Επομένως, η μέγιστη ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων για NH₄⁺-Η συμμόρφωση N ήταν 180 L/d.

Όπως φαίνεται στοΕικόνα 2 (γ), η μέση εισερχόμενη COD ήταν κάτω από 100 mg/L, υποδηλώνοντας χαμηλή οργανική περιεκτικότητα. Η αύξηση της ικανότητας επεξεργασίας λυμάτων δεν επηρέασε σημαντικά την αφαίρεση COD, με ποσοστά αφαίρεσης COD μεταξύ 75%~90%. Καθώς η ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων αυξήθηκε από 50 L/d σε 210 L/d, ο μέσος COD αποβλήτων ήταν 19,16 mg/L, με μέγιστο COD εκροής 26,07 mg/L, ακόμα πολύ κάτω από το πρότυπο 50 mg/L του GB 18918{16}}Επειδή η συσκευή A2 συνέβαλε περισσότερο στην απομάκρυνση COD του 2002. στην αερόβια δεξαμενή MBBR δημιούργησε ένα αερόβιο περιβάλλον, ενισχύοντας τη βιοχημική ικανότητα των αερόβιων μικροοργανισμών και ενισχύοντας την αφαίρεση COD. Επιπλέον, η ανακυκλοφορία του νιτροποιημένου υγρού στη μονάδα A2O επέτρεψε στη διαφραγμένη ανοξική δεξαμενή να χρησιμοποιήσει περαιτέρω την οργανική ύλη στα λύματα ως πηγή άνθρακα, αφαιρώντας μέρος του COD ενώ ενισχύει την απονιτροποίηση. Ο υδροβιότοπος υπόγειας ροής με βάση τον άνθρακα-συνέβαλε τον δεύτερο περισσότερο στην αφαίρεση COD. Το αναερόβιο-ανοξικό περιβάλλον του είναι ευνοϊκό για τη χρήση οργανικής ύλης στα λύματα ως πηγή άνθρακα, υποβαθμίζοντας μέρος των οργανικών ενώ ενισχύει την απονιτροποίηση, γι' αυτό και είχε καλύτερη απομάκρυνση του TN. Επιπλέον, το στρώμα υποστρώματος του υγροτόπου υπόγειας ροής μπορεί να προσροφήσει κάποια οργανική ύλη. Η οικολογική λίμνη είχε περιορισμένη επίδραση στην υποβάθμιση του COD. Η μέση εισροή COD για την οικολογική λίμνη ήταν 22,21 mg/L και τα πιο εύκολα βιοαποδομήσιμα οργανικά είχαν ήδη αποικοδομηθεί, αφήνοντας οργανικά που είναι πιο δύσκολο να αποικοδομηθούν.

Όπως φαίνεται στοΕικόνα 2 (δ), καθώς αυξανόταν η ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων, η συγκέντρωση TP των εκροών παρέμεινε σταθερή. Η αύξηση της ικανότητας επεξεργασίας λυμάτων δεν επηρέασε σημαντικά την απομάκρυνση του TP. Η μέση συγκέντρωση εισροής TP ήταν 3,7 mg/L και η μέση συγκέντρωση εκροής ήταν 0,18 mg/L, με μέσο ποσοστό απομάκρυνσης 95,14%, υποδηλώνοντας καλή αφαίρεση ΤΡ. Το TP αφαιρέθηκε κυρίως στη μονάδα A2O. Η συγκέντρωση εισερχόμενης TP για τη μονάδα A2O ήταν 3,7 mg/L και η εκροή ήταν μόνο 0,29 mg/L, καλύτερη από το πρότυπο 0,5 mg/L του GB 18918-2002 Grade A. Αυτό οφείλεται στο ότι η μονάδα A2O όχι μόνο είχε βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου (συσσώρευση φωσφόρου) αλλά και συσσώρευση φωσφόρου χημική αφαίρεση φωσφόρου με δοσολογία 3,7 g/d PAC. Ο συνδυασμός βιολογικής και χημικής απομάκρυνσης του φωσφόρου είχε ως αποτέλεσμα να αφαιρεθεί πάνω από το 90% του φωσφόρου στη μονάδα A2O. Ο υγροβιότοπος υπόγειας ροής και η οικολογική λίμνη βασίστηκαν κυρίως σε μηχανισμούς όπως η προσρόφηση υποστρώματος, η καθίζηση, η πρόσληψη των φυτών και η μικροβιακή αποικοδόμηση για την απομάκρυνση του φωσφόρου. Επιπλέον, η συγκέντρωση TP που εισέρχεται στον υγρότοπο ήταν ήδη τόσο χαμηλή όσο 0,29 mg/L, καθιστώντας την περαιτέρω απομάκρυνση πιο δύσκολη. Αυτοί οι συνδυασμένοι λόγοι οδήγησαν στη γενική απόδοση αφαίρεσης TP του υγροτόπου και της οικολογικής λίμνης.

Επομένως, για να διασφαλιστεί η σταθερή συμμόρφωση όλων των δεικτών εκροής με το πρότυπο GB 18918-2002 Grade A, η βέλτιστη ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων για αυτή τη διαδικασία καθορίστηκε στα 120 L/d.

2.2 Απόδοση Απομάκρυνσης Ρύπων της Συνδυασμένης Διεργασίας

2.2.1 Απόδοση αφαίρεσης αντικαταβολής

Όπως φαίνεται στοΕικόνα 3, κατά τη διάρκεια της συνολικής περιόδου δοκιμής απόδοσης επεξεργασίας (1 Ιουλίου 2022 έως 17 Ιανουαρίου 2023, ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων 120 L/d), η θερμοκρασία του νερού παρουσίασε κυμαινόμενη πτωτική τάση, μειώνοντας από 32 βαθμούς σε 0 βαθμούς. Ο ρυθμός αφαίρεσης COD κυμάνθηκε και η μείωση της θερμοκρασίας του νερού δεν είχε εμφανή επίδραση στην αφαίρεση του COD. Σε συνδυασμό μεΕικόνα 4, ο ρυθμός αφαίρεσης COD κυμαινόταν μεταξύ 66,16%~82,51%, κυρίως επηρεασμένος από την εισερχόμενη συγκέντρωση COD. Μελέτες δείχνουν ότι υπό αναερόβιες/ανοξικές συνθήκες, η αφαίρεση COD βασίζεται κυρίως στη μικροβιακή δράση. Η διαδικασία A2O-MBBR+CWs εναλλάσσεται ανάμεσα σε αναερόβιες-ανοξικές-ανοξικές-ανοξικές-συνθήκες, ενισχύοντας την αφαίρεση COD. Κατά τη λειτουργία, καθώς η θερμοκρασία του νερού μειώθηκε, αν και το εισερχόμενο COD κυμαινόταν από 80~136 mg/L, το COD εκροής παρέμεινε σταθερό κάτω από 50 mg/L, πληρώντας το πρότυπο Grade A του DB 34/3527-2019, υποδεικνύοντας καλή οργανική αποικοδόμηση. Το τμήμα A2O συνέβαλε τα μέγιστα στην αφαίρεση αντικαταβολής. Η μπερδεμένη αναερόβια-ανοξική δεξαμενή επαφής είχε μέσο ποσοστό αφαίρεσης COD 43,38%, που αντιπροσωπεύει το 65,43% της συνολικής αφαίρεσης COD. Η αερόβια δεξαμενή MBBR είχε μέσο ποσοστό αφαίρεσης 14,69%, αντιπροσωπεύοντας το 19,87% του συνόλου. Το τμήμα A2O συνέβαλε πάνω από 85% στην αφαίρεση COD, επωφελούμενο από τη μεγάλη ειδική επιφάνεια των μέσων στην αναερόβια δεξαμενή και την αερόβια δεξαμενή MBBR, την υψηλή συγκέντρωση λάσπης και το σχηματισμό τροφικής αλυσίδας από βακτήρια → πρωτόζωα → μεταζώα, που αποικοδομούν αποτελεσματικά την οργανική ύλη στο νερό. Η υψηλή βιοποικιλότητα του συστήματος IFAS εξασφάλιζε καλή οργανική απομάκρυνση ακόμη και με αλλαγές θερμοκρασίας. Επιπλέον, μέρος της διαλυτής οργανικής ύλης στα λύματα στη δεξαμενή αναερόβιας-ανοξικής επαφής με διάφραγμα θα χρησιμοποιηθεί ως πηγή άνθρακα με απονιτροποίηση βακτηρίων. Εν τω μεταξύ, το ανακυκλωμένο μικτό υγρό αύξησε το ΝΟ₃^--Συγκέντρωση Ν στη διαφραγμένη ανοξική δεξαμενή, που προάγει τη χρήση πηγών άνθρακα με απονιτροποίηση βακτηρίων για μετατροπή ΝΟ₃^--Δ/ΟΧΙ₂^--Ν σε αέριο άζωτο. Ο υψηλός ρυθμός απομάκρυνσης COD στη δεξαμενή αναερόβιας-ανοξικής επαφής με διάφραγμα επαληθεύει περαιτέρω ότι αυτή η διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιήσει αποτελεσματικά την οργανική ύλη στα λύματα ως πηγή άνθρακα απονιτροποίησης. Ο υδροβιότοπος υπό{4}}υπόγειας ροής με βάση τον άνθρακα είχε μέσο ποσοστό απομάκρυνσης COD 7,18%, που αντιπροσωπεύει το 9,18% της συνολικής απομάκρυνσης COD. Το αναερόβιο/ανοξικό περιβάλλον του υγροτόπου υπόγειας ροής ευνοεί τους μικροοργανισμούς που χρησιμοποιούν οργανική ύλη ως πηγή άνθρακα, επιτυγχάνοντας απομάκρυνση COD ενώ ενισχύει την απονιτροποίηση. Σχετική έρευνα δείχνει επίσης ότι το πληρωτικό βιοαπάνθρακα μπορεί να προσροφήσει οργανική ύλη μέσω ηλεκτροστατικής έλξης και διαμοριακού δεσμού υδρογόνου. Ως εκ τούτου, το πληρωτικό βιοαπάνθρακας λάσπης στον υδροβιότοπο υποεπιφανειακής ροής θα προσρόφησε επίσης κάποια οργανική ύλη. Η οικολογική λίμνη των βυθισμένων φυτών είχε μέσο ποσοστό απομάκρυνσης COD μόνο 3,68%, επειδή το COD που εισέρχονταν στη λίμνη ήταν ήδη χαμηλό στα 30,59 mg/L κατά μέσο όρο και αποτελούνταν κυρίως από πυρίμαχα οργανικά, που αφαιρέθηκαν κυρίως με προσρόφηση και πρόσληψη από τα φυτά, με περιορισμένο αποτέλεσμα.

2.2.2 Απόδοση αφαίρεσης αζώτου

Όπως φαίνεται στοΕικόνα 3, καθώς η θερμοκρασία του νερού μειώθηκε σταδιακά από 32 βαθμούς σε 12 βαθμούς, TN και NH₄⁺-Ν ποσοστά αφαίρεσης κυμάνθηκαν. Ο μέσος ρυθμός αφαίρεσης TN έφτασε το 75,61%, και ο μέσος όρος NH₄⁺-Το N ποσοστό αφαίρεσης έφτασε το 95,70%. Όταν η θερμοκρασία του νερού έπεσε κάτω από τους 12 βαθμούς, TN και NH₄⁺-Τα ποσοστά αφαίρεσης N παρουσίασαν ταχεία πτωτική τάση, αλλά τα μέσα ποσοστά αφαίρεσης εξακολουθούν να φθάνουν το 58,56% και το 80,40%, αντίστοιχα. Αυτό οφείλεται στο ότι η εποχική μείωση της θερμοκρασίας του νερού ανέστειλε τη μικροβιακή δραστηριότητα, εξασθενώντας την απόδοση απονιτροποίησης. Σύμφωνα με τα στατιστικά αποτελέσματα των συγκεντρώσεων ρύπων εισροών και εκροών κατά τη συνδυασμένη περίοδο λειτουργίας της διεργασίας (1 Ιουλίου 2022 έως 17 Ιανουαρίου 2023) που εμφανίζονται στοΠίνακας 3, η μέση εισερχόμενη TN και NH₄⁺-Οι συγκεντρώσεις Ν ήταν 36,56 mg/L και 32,47 mg/L, αντίστοιχα. NH₄⁺-Το N αντιπροσώπευε το 88,81% του TN. Επιρροή ΟΧΙ₃^--Ν (0,01 mg/L) ήταν σχεδόν αμελητέο. Μέση ΤΝ και ΝΗ εκροών₄⁺-Οι συγκεντρώσεις N ήταν 11,69 mg/L και 3,5 mg/L, αντίστοιχα, και οι δύο πληρούσαν το πρότυπο Βαθμού Α του DB 34/3527-2019. Η μέση εκροή ΝΟ₃^--Η συγκέντρωση Ν ήταν 6,03 mg/L, υποδεικνύοντας καλή ικανότητα νιτροποίησης αυτής της διαδικασίας, μετατροπής NH₄⁺-Ν έως ΟΧΙ₃^--Ν. Ωστόσο, η συσσώρευση του ΟΧΙ₃^--Το N στα λύματα υποδηλώνει ότι υπάρχει ακόμη χώρος για περαιτέρω απονιτροποίηση. Όπως φαίνεται στοΕικόνα 5 (α), η αφαίρεση TN ήταν υψηλότερη στο τμήμα A2O. Η μπερδεμένη αναερόβια-δεξαμενή ανοξικής επαφής είχε μέσο ρυθμό αφαίρεσης TN 44,25%, και η αερόβια δεξαμενή MBBR είχε μέσο ρυθμό αφαίρεσης TN 9,55%. Αυτό είναι το αποτέλεσμα της συνδυασμένης δράσης νιτροποιητικών βακτηρίων στην αερόβια ζώνη και απονιτροποιητικών βακτηρίων στην ανοξική ζώνη. Ο δομημένος υδροβιότοπος-με βάση τον άνθρακα είχε μέσο ποσοστό απομάκρυνσης TN 11,07%, επειδή η ικανότητά του να απελευθερώνει πηγές άνθρακα και το αναερόβιο/ανοξικό περιβάλλον του ευνοούν την απονιτροποίηση, διατηρώντας μια συγκεκριμένη ικανότητα αφαίρεσης αζώτου. Η βυθισμένη οικολογική λίμνη των φυτών είχε μέσο ποσοστό απομάκρυνσης TN μόνο 3,54%, με γενική απόδοση αφαίρεσης, επειδή το αερόβιο περιβάλλον της δεν ευνοεί την απονιτροποίηση. Όπως φαίνεται στοΕικόνα 5 (β), NH₄⁺-Η αφαίρεση N ολοκληρώθηκε κυρίως στην ενότητα A2O. Η μπερδεμένη αναερόβια-δεξαμενή ανοξικής επαφής είχε NH₄⁺-Ποσοστό αφαίρεσης N 59,46% και η αερόβια δεξαμενή MBBR είχε NH₄⁺-Ν ποσοστό αφαίρεσης 24,24%. Το τμήμα A2O αντιπροσώπευε το 93,57% του συνολικού NH₄⁺-Ν κατάργηση. Το υψηλό NH₄⁺-Η αφαίρεση N στο τμήμα A2O οφείλεται στον συνεχή αερισμό στην αερόβια δεξαμενή MBBR, επιτρέποντας στα νιτροποιητικά βακτήρια να χρησιμοποιούν πλήρως το DO για τη μετατροπή NH₄⁺-Ν έως ΟΧΙ₃^--Ν. Αυτό στη συνέχεια ανακυκλώνεται στην ανοξική δεξαμενή, όπου τα απονιτροποιητικά βακτήρια μετατρέπουν ΝΟ₃^--N έως N2 για κατάργηση. Κατά τη διάρκεια της δοκιμαστικής περιόδου, ο μέσος ρυθμός αφαίρεσης ΤΝ ήταν 68,40%, και ο μέσος όρος ΝΗ₄⁺-Το ποσοστό αφαίρεσης N ήταν 89,45%, υποδηλώνοντας καλή απόδοση αφαίρεσης αζώτου.

Όπως φαίνεται στοΕικόνα 3, καθώς η θερμοκρασία του νερού μειώθηκε από 32 βαθμούς σε 0 βαθμούς, ο ρυθμός αφαίρεσης TN μειώθηκε από το μέγιστο 79,19% σε 51,38%. Σε συνδυασμό μεΕικόνα 5 (α), when water temperature was >20 μοίρες, ο μέσος ρυθμός απομάκρυνσης TN ξεπέρασε το 75%, με μέση συγκέντρωση εκροών 8,41 mg/L, επειδή η μικροβιακή δραστηριότητα είναι υψηλότερη στην περιοχή 20~32 μοιρών, οδηγώντας σε καλύτερη απονιτροποίηση, σύμφωνα με την έρευνα των Zhang Na et al. Όταν η θερμοκρασία του νερού μειώθηκε από 20 βαθμούς σε 5 βαθμούς, ο μέσος ρυθμός απομάκρυνσης ΤΝ μειώθηκε στο 65,44% και η μέση συγκέντρωση εκροών αυξήθηκε στα 12,70 mg/L. Όταν η θερμοκρασία του νερού ήταν 0~5 βαθμοί, ο μέσος ρυθμός αφαίρεσης TN μειώθηκε στο 52,75% και η μέση συγκέντρωση εκροών αυξήθηκε στα 17,62 mg/L, υποδεικνύοντας μια ορισμένη επίδραση στην αφαίρεση του TN. Μελέτες δείχνουν ότι καθώς η θερμοκρασία του νερού μειώνεται, η μικροβιακή δραστηριότητα αναστέλλεται. Όταν η θερμοκρασία του νερού<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 μοίρες, η απόδοση αφαίρεσης TN είναι καλή, με σταθερά απόβλητα κάτω από 15 mg/L. Σε αυτό το σημείο, λαμβάνοντας υπόψη την αφαίρεση άλλων ρύπων, η ικανότητα επεξεργασίας των λυμάτων μπορεί να αυξηθεί κατάλληλα.

Όπως φαίνεται στοΕικόνα 3, καθώς η θερμοκρασία του νερού μειώθηκε σταδιακά, το ΝΗ₄⁺-Το ποσοστό απομάκρυνσης N μειώθηκε από το μέγιστο 99,52% στο ελάχιστο 74,77%, και το NH εκροών₄⁺-Η συγκέντρωση Ν αυξήθηκε από ένα ελάχιστο 0,17 mg/L σε 8,40 mg/L. Η μείωση της θερμοκρασίας του νερού αναστέλλει τη δραστηριότητα των βακτηρίων νιτροποίησης και νιτροποίησης, μειώνοντας την NH₄⁺-N removal. However, when water temperature >12 βαθμοί, η μέση NH εκροών₄⁺-Η συγκέντρωση Ν ήταν 1,58 mg/L. Όταν η θερμοκρασία του νερού είναι μικρότερη από ή ίση με 12 βαθμούς, η μέση NH εκροών₄⁺-Η συγκέντρωση Ν αυξήθηκε στα 6,58 mg/L, αλλά η εκροή ΝΗ₄⁺-Το N πληρούσε πάντα το πρότυπο Grade A του DB 34/3527-2019. Όταν η θερμοκρασία του νερού ήταν 20~32 βαθμοί, η μέση NH₄⁺-Το N ποσοστό αφαίρεσης υπερέβη το 96%. Σε συνδυασμό μεΕικόνα 5 (β), η εκροή ΝΗ₄⁺-Η συγκέντρωση N ήταν κάτω από 2 mg/L σε αυτό το εύρος, υποδηλώνοντας υψηλή δραστηριότητα νιτροποιητικών βακτηρίων και εξαιρετική συνολική NH₄⁺-Ν κατάργηση. Όταν η θερμοκρασία του νερού σταδιακά μειώθηκε από 20 βαθμούς σε 12 βαθμούς, η μέση NH₄⁺-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >Οι 12 βαθμοί είναι κατάλληλοι για τη νιτροποίηση της ανάπτυξης βακτηρίων, προάγοντας τη νιτροποίηση. Επομένως, η NH₄⁺-Το N διατήρησε υψηλά ποσοστά αφαίρεσης στην περιοχή 12~20 μοιρών. Όταν η θερμοκρασία του νερού σταδιακά μειώθηκε από 12 βαθμούς σε 0 βαθμούς, η μέση NH₄⁺-Το N ποσοστό αφαίρεσης εξακολουθεί να φτάνει το 80%. Η υπάρχουσα έρευνα δείχνει ότι τα νιτροποιητικά βακτήρια χάνουν σχεδόν την ικανότητα νιτροποίησης σε 0 βαθμό. Ωστόσο, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν ότι ακόμη και σε 0 βαθμό, η NH₄⁺-Ο ρυθμός αφαίρεσης Ν υπερέβη το 75%, υποδηλώνοντας καλή απόδοση νιτροποίησης αυτής της διαδικασίας σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό οφείλεται στο ότι το σύστημα IFAS στην ενότητα A2O-MBBR αυτής της μελέτης έχει μεγάλη ηλικία λάσπης βιοφίλμ έως περίπου 1 μήνα, καθιστώντας τον ρυθμό νιτροποίησης στη βιοχημική δεξαμενή πολύ λιγότερο επηρεασμένο από τη θερμοκρασία από τις παραδοσιακές διεργασίες ενεργοποιημένης ιλύος, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοση νιτροποίησης σε χαμηλές θερμοκρασίες χειμώνα. Έρευνα των Wei Xiaohan et al. υποδεικνύει επίσης ότι ο κύριος λόγος για τη μη συμμορφούμενη NH₄⁺-Το Ν απόβλητο υπό συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας νερού είναι ανεπαρκής ηλικία ενεργού ιλύος, με την επίδραση της θερμοκρασίας στη δραστηριότητα του νιτροποιητή να είναι δευτερεύουσα. Επομένως, αν και η μείωση της θερμοκρασίας του νερού επηρέασε τη δραστηριότητα του νιτροποιητή σε κάποιο βαθμό, η επαρκής ηλικία της λάσπης σε αυτή τη διαδικασία εξασφάλισε NH₄⁺-Ν αφαίρεση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Κατά τη διάρκεια της δοκιμαστικής περιόδου, η μέση NH εκροών₄⁺-Η συγκέντρωση Ν ήταν 3,50 mg/L και η συνδυασμένη διεργασία επέδειξε καλή και σταθερή απόδοση νιτροποίησης.

2.2.3 Απόδοση Αφαίρεσης Φωσφόρου

Όπως φαίνεται στοΕικόνα 3, ο ρυθμός αφαίρεσης TP ποικίλλει ελάχιστα με τις αλλαγές θερμοκρασίας του νερού, παραμένοντας σταθερός πάνω από 94%. Σε συνδυασμό μεΕικόνα 6, η συγκέντρωση εισερχόμενου TP κυμαινόταν από 3,03~4,14 mg/L και η συγκέντρωση TP εκροής κυμαινόταν από 0,14~0,28 mg/L, πληρώντας το πρότυπο Βαθμού Α του DB 34/3527-2019. Αυτή η διαδικασία βασίζεται στη συνδυασμένη δράση βιολογικής απομάκρυνσης του φωσφόρου (από PAO) και χημικής αφαίρεσης φωσφόρου (από PAC). Όταν η θερμοκρασία του νερού μειώνεται, η δραστηριότητα του PAO αναστέλλεται, επηρεάζοντας τη βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία συμπληρώνει τη χημική απομάκρυνση του φωσφόρου με δοσολογία 3,7 g/d PAC, διατηρώντας σταθερό ρυθμό αφαίρεσης TP και μειώνοντας τον αντίκτυπο των αλλαγών της θερμοκρασίας του νερού στην απομάκρυνση του φωσφόρου στη συνδυασμένη διαδικασία. Η μονάδα A2O είχε την καλύτερη απόδοση αφαίρεσης TP. Η μέση συγκέντρωση αναερόβιας-ανοξικής μονάδας εκροής TP ήταν 2,48 mg/L, με ρυθμό απομάκρυνσης 32,61%. Η μέση συγκέντρωση ΤΡ εκροών αερόβιας μονάδας ήταν 0,29 mg/L, με ρυθμό απομάκρυνσης 59,51%. Το συνολικό ποσοστό αφαίρεσης TP για τη μονάδα A2O ήταν 92,12%. Η μπερδεμένη σχεδίαση του τμήματος A2O-MBBR μπορεί να αφαιρέσει σε μεγάλο βαθμό το νιτρικό άζωτο που μεταφέρεται στο ανακυκλωμένο μικτό υγρό, επιτρέποντας στα αναερόβια PAO να απελευθερώνουν φώσφορο πιο διεξοδικά στο αναερόβιο τμήμα και να απορροφούν τον φώσφορο πληρέστερα στο αερόβιο τμήμα, ενισχύοντας τη βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου. Επιπλέον, η χημική αφαίρεση φωσφόρου με δοσολογία στη μία πλευρά της αερόβιας δεξαμενής MBBR διατήρησε σταθερό ρυθμό αφαίρεσης TP, με ποιότητα εκροής σταθερά καλύτερη από το πρότυπο Βαθμού Α του DB 34/3527-2019. Η βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου στο τμήμα A2O-MBBR συμβαίνει κυρίως όταν τα PAO στην αναερόβια δεξαμενή με διάφραγμα χρησιμοποιούν πηγές άνθρακα για να μετατρέψουν μέρος της οργανικής ύλης και τα πτητικά λιπαρά οξέα σε πολυϋδροξυαλκανοϊκά (PHAs). Όταν τα λύματα ρέουν από τη διαφραγμένη αναερόβια δεξαμενή στην αερόβια δεξαμενή MBBR, οι PAO στη συνέχεια χρησιμοποιούν PHA ως δότες ηλεκτρονίων για να ολοκληρώσουν την πρόσληψη φωσφόρου. Ωστόσο, η απόδοση βιολογικής απομάκρυνσης του φωσφόρου επηρεάζεται εύκολα από τη δραστηριότητα του PAO και η χαμηλή θερμοκρασία του νερού περιορίζει τη δραστηριότητα του PAO. Επομένως, για να επιτευχθεί σταθερή απομάκρυνση του φωσφόρου, η χημική απομάκρυνση του φωσφόρου ενσωματώθηκε στο σχεδιασμό της διαδικασίας. Επιπλέον, η προσρόφηση από το στρώμα υποστρώματος στον υδροβιότοπο υποεπιφανειακής ροής με βάση τον άνθρακα και η ανάπτυξη βυθισμένων φυτών στην οικολογική λίμνη απορροφούν επίσης λίγο φώσφορο.

Συνοπτικά, η εγκατάσταση λειτούργησε σταθερά κατά τη διάρκεια της δοκιμαστικής περιόδου, με καλή συνολική απόδοση αφαίρεσης ρύπων. Η συνδυασμένη διαδικασία A2O-MBBR + CWs πέτυχε μέσους ρυθμούς αφαίρεσης 68,40%, 89,45%, 73,94% και 94,04% για το TN, NH₄⁺-N, COD και TP, αντίστοιχα. Οι μέσες συγκεντρώσεις εκροών ήταν 11,69 mg/L, 3,50 mg/L, 26,9 mg/L και 0,22 mg/L, αντίστοιχα, και όλες πληρούσαν το πρότυπο Βαθμού Α του DB 34/3527-2019. Έρευνα των Wu Qiong et al. υποδηλώνει ότι το A2O-MBBR είναι μια σύνθετη διεργασία ενεργοποιημένης λάσπης και βιοφίλμ, με μεγάλη μικροβιακή ποσότητα, μεγάλη ηλικία λάσπης, υψηλή ογκομετρική φόρτιση, μικρό όγκο και αποτύπωμα, ισχυρή αντοχή σε φορτία κραδασμών, καλή ποιότητα εκροής και σταθερή λειτουργία. Επιπλέον, η απόδοση απονιτροποίησης των διεργασιών βιοφίλμ το χειμώνα είναι καλύτερη από εκείνη των διεργασιών ενεργοποιημένης ιλύος, καθιστώντας το πιο κατάλληλο για την επεξεργασία λυμάτων χαμηλής{15} θερμοκρασίας το χειμώνα. Αυτός είναι επίσης ο κύριος λόγος για την καλή απόδοση αφαίρεσης ρύπων του τμήματος A2O-MBBR σε αυτήν τη μελέτη. Η συνδυασμένη διαδικασία A2O-MBBR + CWs σε αυτήν τη μελέτη προσθέτει μια ζώνη επεξεργασίας στίλβωσης CWs με βάση τη διαδικασία A2O-MBBR, ενισχύοντας περαιτέρω τη συνολική απόδοση καθαρισμού και τη λειτουργική σταθερότητα της διαδικασίας. Η αφαίρεση των ΤΝ και ΝΗ₄⁺-Το Ν επηρεάστηκε λιγότερο από τις εποχικές αλλαγές θερμοκρασίας του νερού, ενώ η αφαίρεση του COD και του TP δεν επηρεάστηκε σχεδόν από την εποχιακή θερμοκρασία του νερού. Κατά τη διάρκεια της δοκιμαστικής περιόδου, εμφάνισε ισχυρή αντοχή σε κρουστικά φορτία, καθιστώντας το κατάλληλο για χρήση σε αγροτικές περιοχές με μεγάλες διακυμάνσεις στην ποιότητα και την ποσότητα των οικιακών λυμάτων.

2.3 Οικονομική Ανάλυση της Συνδυασμένης Διαδικασίας

Το κόστος αυτής της συνδυασμένης διαδικασίας περιλαμβάνει κυρίως το κόστος κατασκευής και το κόστος λειτουργίας επεξεργασίας λυμάτων. Το κόστος κατασκευής αφορούσε την εγκατάσταση της πειραματικής εγκατάστασης, συμπεριλαμβανομένης της αγοράς σωμάτων δεξαμενής, βοηθητικού ηλεκτρικού εξοπλισμού, μέσων, βυθιζόμενων εγκαταστάσεων και εξαρτημάτων σωλήνων, συνολικού ύψους περίπου 3.000 CNY. Με βάση τη μέγιστη ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων κατά τη διάρκεια του πειράματος των 0,18 m³/ημέρα, το κόστος κατασκευής ανά m³ επεξεργασμένων λυμάτων είναι περίπου 16.700 CNY. Το κόστος λειτουργίας προέρχεται κυρίως από τη λειτουργία εγκατάστασης, συμπεριλαμβανομένης της κατανάλωσης ενέργειας του εξοπλισμού, του κόστους χημικών, του κόστους διάθεσης λάσπης και του κόστους εργασίας. Ο ηλεκτρικός εξοπλισμός περιλαμβάνει: αντλία τροφοδοσίας (ισχύς 2 W, Q=2.8 m³/d), αντλία ανακυκλοφορίας (ισχύς 2 W, Q=2.8 m³/d), αεριστή (ισχύς 5 W, ρυθμός αερισμού=5 L/min) και περισταλτική δοσομετρική αντλία (ισχύς 2 W). Υπολογίστηκε με βάση την πραγματική μέγιστη ισχύ χρήσης: αντλία τροφοδοσίας 0,13 W, αντλία ανακυκλοφορίας 0,19 W, αεριστής 1,25 W, δοσομετρική αντλία 2 W. Η συνολική πραγματική ισχύς χρήσης είναι 0,00357 kW, ημερήσια κατανάλωση ισχύος 0,086 kWh. Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά m³ επεξεργασμένων λυμάτων είναι 0,48 kWh. Χρησιμοποιώντας τιμή βιομηχανικής ηλεκτρικής ενέργειας 0,7 CNY/kWh, το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας είναι 0,33 CNY/m³. Το χημικό κόστος του PAC είναι περίπου 2,4 CNY/kg, η χρήση 3,7 g/ημέρα. Το PAC που απαιτείται ανά m³ λυμάτων είναι 20,56 g, κόστος 0,05 CNY/m³. Κόστος διάθεσης λάσπης=ποσότητα λάσπης × όγκος μονάδας κόστος διάθεσης ιλύος. Η παραγωγή ξηρής λάσπης ανά τόνο νερού είναι 0,09 kg. Με βάση τη μοναδιαία τιμή μεταφοράς και διάθεσης ιλύος WWTP 60 CNY/τόνο, κόστος διάθεσης ιλύος ανά τόνο νερού=0.09 kg × 0,06 CNY/kg=0.054 CNY. Δεδομένου ότι η πιλοτική εγκατάσταση απαιτούσε μόνο περιοδική επιθεώρηση μετά τη λειτουργία, το κόστος εργασίας υπολογίστηκε με βάση την πραγματική εμπειρία μηχανικής. Ένα εργοστάσιο 10.000 τόνων την ημέρα λειτουργεί από 1~2 άτομα. Αν υποθέσουμε ότι ο μισθός ενός ατόμου είναι 3.000 CNY/μήνα, για 2 άτομα, ο δείκτης κόστους εργασίας είναι περίπου 0,02 CNY/τόνο νερού. Οι λεπτομέρειες κόστους εμφανίζονται στοΠίνακας 4. Συνοπτικά, το κόστος της επέμβασης είναι περίπου 0,46 CNY/m³. Ωστόσο, καθώς η ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων αυξάνεται, το κόστος κατασκευής και λειτουργίας ανά τόνο νερού θα μειωθεί. Το κόστος κατασκευής και λειτουργίας κατά τη διάρκεια της πιλοτικής δοκιμής είναι μόνο για αναφορά.

3. Συμπεράσματα

Η συνδυασμένη διαδικασία A2O-MBBR + CWs έδειξε καλή απόδοση για την επεξεργασία αγροτικών οικιακών λυμάτων. Η αφαίρεση του TP και του COD δεν επηρεάστηκε σε μεγάλο βαθμό από τις αλλαγές θερμοκρασίας του νερού. Τα μέσα ποσοστά αφαίρεσης για 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 βαθμού, η ποιότητα των λυμάτων θα μπορούσε να πληροί το πρότυπο Βαθμού Α του GB 18918-2002 "Πρότυπο απόρριψης ρύπων για εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων". Αυτή η διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιήσει αποτελεσματικά την οργανική ύλη μέσα στο σύστημα ως πηγή άνθρακα για την ενίσχυση της απονιτροποίησης, διατηρώντας πάνω από 50% την απομάκρυνση του TN ακόμη και σε θερμοκρασίες νερού τόσο χαμηλές όσο 0 βαθμούς.

Η βέλτιστη ικανότητα επεξεργασίας λυμάτων για τη συνδυασμένη διαδικασία A2O-MBBR + CWs το χειμώνα ήταν 120 L/d και 180 L/d σε μη-χειμερινές περιόδους. Οι εποχιακές αλλαγές θερμοκρασίας του νερού (σταδιακά μειώνονται από 32 βαθμούς σε 0 βαθμούς) είχαν μόνο κάποιο αντίκτυπο στην απομάκρυνση του αζώτου με τη συνδυασμένη διαδικασία. Το ποσοστό απομάκρυνσης ΤΝ μειώθηκε από 79,19% σε 51,38%, και το ΝΗ₄⁺-Το ποσοστό αφαίρεσης N μειώθηκε από 99,52% σε 74,77%. Ακόμη και σε 0 βαθμό, η ποιότητα των λυμάτων πληρούσε σταθερά το πρότυπο Βαθμού Α του DB 34/3527-2019 και το NH₄⁺-Το N ποσοστό αφαίρεσης εξακολουθεί να φτάνει το 74,77%. Αυτό επωφελείται από το σύστημα IFAS, όπου η ηλικία της λάσπης έως και 1 μήνα εξασφάλιζε νιτροποίηση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η διαδικασία λειτούργησε σταθερά κατά την περίοδο δοκιμής, παρουσιάζοντας ισχυρή αντίσταση στις αλλαγές θερμοκρασίας του νερού.

Η αρχική διαδικασία A2O-MBBR χρησιμοποίησε δύο τύπους αιωρούμενων φορέων βιοφίλμ για μικροβιακή προσκόλληση, σχηματίζοντας ένα σύστημα IFAS. Ο υδροβιότοπος υποεπιφανειακής ροής με βάση τον άνθρακα-χρησιμοποιούσε πολλαπλά υλικά πλήρωσης μέσων, όπως βιοκάρβουνο λάσπης, ασβεστόλιθο και ζεόλιθο, ενισχύοντας την απόδοση διήθησής του παρέχοντας άφθονη επιφάνεια πρόσδεσης για μικροοργανισμούς, βελτιώνοντας την ικανότητα βιολογικής επεξεργασίας του. Η αρχική διαδικασία A2O-MBBR με το IFAS έχει υψηλή συγκέντρωση βιομάζας. Ο πίσω σύνθετος υγρότοπος CWs χρησιμεύει ως στάδιο επεξεργασίας στίλβωσης, περαιτέρω επεξεργασία των λυμάτων, καθιστώντας το συνολικό σύστημα πιο ανθεκτικό στα φορτία κραδασμών.

Η συνδυασμένη διαδικασία A2O-MBBR + CWs είναι κατάλληλη για την επεξεργασία οικιακών λυμάτων σε αγροτικές περιοχές με μεγάλες διακυμάνσεις ποιότητας και ποσότητας. Λειτουργεί σταθερά και αποτελεσματικά, με κόστος επεξεργασίας περίπου 0,46 CNY/m³. Επιπλέον, τα τμήματα διεργασίας A2O-MBBR+CWs μπορούν να προσαρμοστούν με ευελιξία σύμφωνα με διαφορετικά πρότυπα, σενάρια και σκοπούς εκροής. Αυτή η συνδυασμένη διαδικασία μπορεί να παρέχει στοιχεία αναφοράς και βάση για έργα επεξεργασίας αγροτικών οικιακών λυμάτων στην Κίνα, να προσφέρει μια οδό αξιοποίησης πόρων για άχρηστες ερημικές εκτάσεις σε αγροτικές περιοχές και έχει ευρείες δυνατότητες εφαρμογής στην αγορά σύμφωνα με την εθνική τάση (με ιδιαίτερη έμφαση στη βελτίωση της ποιότητας του αγροτικού περιβάλλοντος.