المعالجة الميكروبية المحسنة لمياه الصرف الصحي بالثوم باستخدام عملية MBBR + A/O
ملخص
مياه الصرف الصحي الثومينشأ في المقام الأول من عمليات التقطيع والشطف أثناء معالجة الثوم. ويتميزتركيزات عالية من المواد العضوية, sمستويات كبيرة من النيتروجين والفوسفور، ويحتوي على كميات كبيرة من الأليسين. الأليسين (ديليل ثيوسلفينات) هو سائل متطاير مسؤول عن الرائحة النفاذة للثوم وهو غير مستقر كيميائيا وشديد التفاعل. الأليسين يمكن أن يمنع نمو الكائنات الحية الدقيقة المختلفة. يؤدي تصريف-مياه الصرف الصحي عالية التركيز من الثوم بدون معالجة إلى تأثيرات بيئية خطيرة. استخدم بعض الباحثين تقنيات مثل الترشيح الغشائي، وأكسدة الفنتون، والتحليل الكهربائي الجزئي، لكن هذه الطرق لم تكن فعالة في معالجة مياه صرف الثوم، كما أن استخدام جرعات كبيرة من المواد الكيميائية يزيد من تكاليف المعالجة اللاحقة. اقترح العديد من العلماء طرق معالجة بيولوجية باستخدام العمليات الهوائية اللاهوائية- المركبة. ومع ذلك، بسبب الخصائص المضادة للبكتيريا للأليسين، يصعب زراعة الكائنات الحية الدقيقة، وكفاءة العلاج ليست مثالية. ولذلك، فإن التركيز على العلاج البيولوجي هوزراعة وتأقلم السلالات الميكروبية القادرة على التكيف مع مياه الصرف الصحي للثوم وتعزيز تحللها الحيوي.
شملت هذه الدراسة زراعة وفحصسلالات بكتيرية فعالة في تحلل مياه الصرف الصحي للثوم، والتي تم إدخالها بعد ذلك في أمفاعل الأغشية الحيوية ذو السرير المتحرك (MBBR). باستخدام الحمأة الملقحة وطريقة -معدل التدفق المتزايدة لتكوين الأغشية الحيوية، تم إنشاء الأغشية الحيوية لتعزيز إزالة النيتروجين والفوسفور من مياه الصرف الصحي. وأعقب ذلك مزيد من المعالجة الكيميائية الحيوية A/O (Anoxic/Oxic). وفقًا لمعيار GB18918-}2002، يمكن أن تلبي مستويات COD ونيتروجين الأمونيا (NH₃-N) المعيار الثانوي (COD: 100 مجم/لتر، NH₃-N: 25-30 مجم/لتر). تعمل هذه العملية على تقليل المحتوى العضوي في النفايات السائلة بشكل فعال، مما يقلل من صعوبة مراحل المعالجة اللاحقة.
1. القسم التجريبي
1.1 تصميم تدفق العمليات
يظهر في الشكل تدفق العملية الإجمالي لمعالجة مياه الصرف الصحي بالثومالشكل 1، مع كون المكون الأساسي هوالتحلل الحيوي في نظام MBBR + A/O. ثلاث سلالات تم فحصها ومعزولة فعالة في تحلل مياه الصرف الصحي للثوم - Alcaligenes sp.، Acinetobacter sp.، وAchromobacter sp. - تم مزجها مع الحمأة المنشطة وإدخالها في وحدة MBBR لتسهيل بدء التشغيل السريع-.
1.2 MBBR + عملية معالجة A/O
بعد المرور عبر الشاشات الخشنة والناعمة لإزالة المواد الصلبة العالقة، يتم ضخ مياه صرف الثوم مباشرة إلى MBBR. وتظهر نوعية التأثير فيالجدول 1. تتدفق النفايات السائلة من MBBR مباشرة إلى نظام A/O. نظرًا للمحتوى العضوي المنخفض لتدفق MBBR، تتم إضافة مياه الصرف الصحي الخاصة بالثوم الخام بشكل مناسب إلى خزان الأكسجين (O) لتكملة مصدر الكربون لعملية A/O. لاختبار مقاومة تأثير النظام، تمت زيادة معدل التحميل العضوي لـ MBBR تدريجياً أثناء التشغيل المستمر، وتمت مراقبة جودة النفايات السائلة.
1.3 معلمات العملية
1.3.1 الأكسجين المذاب (DO)
يمكن أن يؤدي ارتفاع نسبة DO داخل الأغشية الحيوية إلى منع نزع النتروجين، مما يتسبب في فقدان MBBR لقدرته على النترجة ونزع النتروجين في وقت واحد. يمكن أن يؤدي انخفاض نسبة الأكسجين في الدم بشكل مفرط إلى تكاثر البكتيريا الخيطية، مما يؤثر على جودة النفايات السائلة ويمنع عملية النترجة.
1.3.2 وقت الاحتفاظ الهيدروليكي (HRT)
يسبب العلاج التعويضي بالهرمونات القصير للغاية ظروف تفاعل شديدة، حيث يتم تصريف المياه العادمة التي تحتوي على معظم المواد العضوية قبل امتصاصها بالكامل. التدفق المستمر يبقي الكائنات الحية الدقيقة في حالة مستمرة من التحلل البيولوجي، مما يقلل من الكفاءة ويزيد من استهلاك الطاقة. يؤدي العلاج التعويضي بالهرمونات الطويل جدًا إلى استنفاد العناصر الغذائية. وبدون العناصر الغذائية، تقلل الكائنات الحية الدقيقة من نشاطها ومتطلباتها الأيضية من أجل الحفاظ على البقاء فقط.
1.3.3 نسبة الكربون-إلى-نسبة النيتروجين (C/N)
يمكن أن تؤدي نسبة C/N المنخفضة إلى تحفيز تحويل الأمونيا إلى مواد أخرى، مما يؤثر على إزالة نيتروجين الأمونيا. كما أنه يسبب بسهولة انتفاخًا خيطيًا، ونموًا مستمرًا يؤثر على التلبد، مما يؤدي إلى تراكم الحمأة والحمأة العائمة. تعتبر نسبة C / N المرتفعة غير مواتية للتحلل الحيوي والنمو الميكروبي، مما يزيد من الحمل العضوي على الكائنات الحية الدقيقة.
1.4 بدء تشغيل MBBR Biofilm-.
بدء تشغيل الأغشية الحيوية-: تم استخدام طريقة زيادة معدل الحمأة الملقحة + التدفق-. تم تلقيح الحمأة المنشطة المخصبة بـ MBR- في المفاعل، مع تركيز مبدئي للمواد الصلبة المعلقة بالسائل المختلط (MLSS) يبلغ حوالي 5.82 جم/لتر. بدأت عملية التهوية، وأضيفت حاملات البولي إيثيلين إلى المفاعل باستخدام أنسبة الامتلاء حوالي 60%. اليفعلفي المفاعل تمت السيطرة عليهأعلى من 4.0 ملغم / لتر. تمت زيادة معدل التدفق المؤثر تدريجيًا بزيادات قدرها 20 لترًا في الساعة: 20، 40، 60، 80، 100، 120، 140 لترًا في الساعة، مع الحفاظ على كل معدل تدفق لمدة يوم واحد. ولم يتم إهدار أي حمأة خلال هذه المرحلة. يتكون غشاء حيوي أصفر فاتح على سطح الناقلات التي تلتصق بها الكائنات الحية الدقيقة وتنمو. بعد بدء تشغيل الغشاء الحيوي بنجاح-، استمر التشغيل المستقر، مع الحفاظ علىمدة الاحتفاظ بالحمأة (SRT) تبلغ 30 يومًا. أثناء التشغيل المستقر، تم تعديل معدل التحميل العضوي لـ MBBR لملاحظة تأثيره على إزالة COD والنيتروجين والفوسفور.
2. النتائج والمناقشة
2.1 تحليل جودة النفايات السائلة MBBR أثناء بدء تشغيل الأغشية الحيوية-.
تم ضبط شدة التهوية في MBBR للتحكم في تركيز D O. عندما كان الأكسجين المذاب أقل من 4.0 ملجم/لتر، كانت شدة التهوية غير كافية لدعم الحركة المضطربة المنتظمة عالية التدفق للحوامل، مما يمنع الخلط المناسب ويجعل من الصعب تكوين غشاء حيوي على أسطح الحامل. عندما كان تركيز الأكسجين المذاب بين 4.0-6.0 ملجم/لتر، تمتزج الحاملات جيدًا مع الحمأة المنشطة ومياه الصرف الصحي. تمت ملاحظة تغير اللون من الأبيض إلى البني المصفر- على الحوامل، مما يشير إلى الارتباط الميكروبي الناجح والنمو في ظل كثافة التهوية هذه، كما هو موضح فيالشكل 2.
يظهر في الصورة منحنى التباين لـ COD المتدفق والتدفق أثناء مرحلة البدء-.الشكل 3 (أ). كان الانخفاض الأولي في كفاءة العلاج بسبب الكمية المنخفضة جدًا من الكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بالناقلات؛ ولم يكن التحلل بواسطة الكائنات الحية الدقيقة في الحمأة المنشطة وحده كافياً لإزالة الكمية الكبيرة من المواد العضوية. مع تقدم عملية البدء-، زادت كمية الكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بالحوامل، مما أدى إلى تشكيل غشاء حيوي تدريجيًا. استقر تركيز COD للنفايات السائلة تدريجيًا، واستقرت كفاءة إزالة COD فوق 90%.
يظهر منحنى التباين لتدفق MBBR المتدفق والنفايات السائلة NH₃-N فيالشكل 3 (ب). تعمل النترجة بواسطة البكتيريا الهوائية في الحمأة المنشطة على إزالة نيتروجين الأمونيا بشكل فعال. بدءًا من اليوم السابع، زاد تركيز NH₃-N المؤثر تدريجيًا. بحلول اليوم 23، على الرغم من أن NH₃-N المؤثر كان لا يزال في ازدياد، إلا أن معدل الإزالة زاد أيضًا. وذلك لأن البكتيريا الآزوتية تنمو ببطء في البداية؛ مع مرور الوقت، زاد عدد سكانها، ونضج الغشاء الحيوي، وازداد معدل إزالة NH₃-N تدريجيًا واستقر.
يظهر منحنى التباين لـ MBBR المؤثر والنفايات السائلة TN فيالشكل 3 (ج). على عكس إزالة نيتروجين الأمونيا، انخفضت كفاءة إزالة TN في البداية. وذلك لأن بيئة المفاعل كانت تحتوي على مصدر وافر من الأكسجين والكربون، مما يحد من نمو البكتيريا النازعة للنتروجين. ومع ذلك، مع تشكل الغشاء الحيوي، بدأت كفاءة إزالة TN في التحسن. بحلول اليوم العشرين، على الرغم من زيادة تركيز TN المؤثر، استقر معدل التدفق والإزالة، حيث تراوح بين 50% إلى 60%.
يظهر منحنى التباين لـ MBBR المؤثر والنفايات السائلة فيالشكل 3 (د). من البداية-حتى التشغيل المستقر، ظل معدل إزالة TP ثابتًا. على الرغم من أن تركيز TP المؤثر كان مرتفعًا في البداية وانخفض لاحقًا، إلا أن كفاءة الإزالة لم تظهر أي تغيير كبير، مما يشير إلى قدرة النظام على إزالة الفوسفور. تم الحفاظ على معدل إزالة TP في النظام بين 80%-90%.
في ملخص،الحفاظ على نظام MBBR DO بين 4-6 مجم / لتر، وهو غشاء حيوي ناضج تم تطويره بعد 20 يومًا من التغذية المستمرة. بالمقارنة مع عمليات الحمأة المنشطة التقليدية، يوفر نظام MBBR مقاومة قوية للصدمات وكفاءة معالجة عالية، مما يقلل بشكل فعال من صعوبة مراحل المعالجة اللاحقة لمياه الصرف الصحي لمعالجة الثوم.
2.2 تحليل جودة النفايات السائلة أثناء التشغيل المستقر
بعد مرحلة بدء الغشاء الحيوي-، ينضج الغشاء الحيوي. لاختبار مقاومة تأثير نظام MBBR، تمت زيادة معدل التحميل العضوي بشكل مستمر أثناء التشغيل المستقر.
يظهر منحنى التباين لـ COD المؤثر والنفايات السائلة MBBR أثناء التشغيل المستقر فيالشكل 4 (أ). من الأيام 1 إلى 5، مع التدفق المستمر، ظلت كفاءة إزالة COD أعلى من 95٪، ووصل تركيز COD إلى حوالي 100 مجم / لتر. ومن الأيام 5-20، تمت زيادة معدل التدفق، مما أدى إلى رفع التحميل العضوي تدريجيًا من 20 كجم COD/م3·يوم إلى 30 كجم COD/م3·يوم. لم يلاحظ أي تغيير كبير في كفاءة الإزالة، وظل COD للنفايات السائلة بين 80-100 ملغم / لتر، مما يدل على مقاومة قوية للصدمات. بعد اليوم 20، تمت زيادة معدل التدفق بشكل أكبر، مما أدى بشكل مستمر إلى رفع التحميل العضوي في المفاعل من 30 كجم COD/م³·يوم إلى 37 كجم COD/م³·ي، والحفاظ عليه لمدة 5 أيام. ظلت قدرة إزالة COD لـ MBBR أعلى من 95٪.
الشكلان 4 (ب) و (ج)أظهر منحنيات التباين لـ NH₃-N وTN، على التوالي، أثناء التشغيل المستقر. من الأيام 1 إلى 5، مع التدفق المستمر، أظهر الغشاء الحيوي MBBR النترجة ونزع النتروجين في وقت واحد. تستهلك البكتيريا النتروجينية الهوائية المرتبطة بالطبقة الخارجية للأغشية الحيوية، الممزوجة بالكامل بمياه الصرف الصحي تحت التهوية، مصادر كبيرة من النيتروجين من خلال النترجة. تعمل عملية إزالة النتروجين من البكتيريا الموجودة في طبقة نقص الأكسجين الداخلية على إزالة نترات النيتروجين بشكل فعال من خلال عملية إزالة النتروجين. من الأيام 5 إلى 20، مع زيادة معدل التدفق، انخفضت كفاءة إزالة NH₃-N وTN بشكل ملحوظ في البداية. وبعد حوالي 7 أيام من التشغيل المتواصل، تم تكييف النظام تدريجيًا. على الرغم من زيادة كفاءة إزالة NH₃-N وTN، إلا أنها ظلت أقل مما كانت عليه أثناء فترة التدفق المنخفض-. في ظل التدفق المستمر، وصلت إزالة NH₃-N إلى أكثر من 90%، مع تدفق النفايات السائلة NH₃-N بين 10-15 مجم/لتر، وتم الحفاظ على إزالة TN بشكل أساسي فوق 80%، مع تدفق النفايات السائلة TN حوالي 30 مجم/لتر. بعد زيادة التدفق ووصول النظام إلى توازن جديد في ظل التأثير المستمر، استقرت إزالة NH₃-N عند حوالي 80%، مع النفايات السائلة NH₃-N بين 50-70 مجم/لتر، وإزالة TN حوالي 60%، مع تدفق النفايات السائلة TN أقل من 50 مجم/لتر.
يظهر منحنى التباين لـ TP أثناء التشغيل المستقر فيالشكل 4 (د). تم الحفاظ على تركيز TP السائل المتدفق بشكل أساسي عند حوالي 10 مجم / لتر. في البداية، مع التدفق المنخفض المستمر وتركيز TP المنخفض التأثير، كان تأثير العلاج محدودًا. مع زيادة معدل التدفق وتركيز TP المؤثر، تم تحقيق كفاءة معالجة عالية طوال مرحلة التأثير وعملية التحميل العالية اللاحقة -، مع تقلب معدل إزالة TP بحوالي 90%.
في ملخص،في ظل صدمة التحميل العضوية العالية، ظلت كفاءة إزالة COD للنظام دون تغيير إلى حد كبير، ولكن انخفضت إزالة NH₃-N وTN بشكل ملحوظ. عندما وصل التحميل العضوي إلى حده الأقصى وهو 37 كجمCOD/m³·d، انخفضت كفاءة النظام في إزالة NH₃-N وTN بشكل ملحوظ.
2.3 تحليل جودة النفايات السائلة لنظام MBBR + A/O
بعد مرحلة بدء تشغيل الغشاء الحيوي-وشهر واحد من التشغيل المستقر، تمت إضافة عملية A/O في اتجاه مجرى النهر للمعالجة المتقدمة لتدفق MBBR السائل. تم تطبيق زيادات متدرجة في معدل التدفق لزيادة التحميل العضوي الإجمالي، بهدف تحديد معدل التدفق الأمثل، الموافق لـ HRT الأمثل.
يظهر منحنى تباين COD فيالشكل 5 (أ). زاد معدل التدفق بالتتابع: 100، 120، 130، 150، 170 لتر/ساعة. منذ البداية وحتى الحد الأقصى لمعدل التدفق، زاد التحميل العضوي على نظام MBBR من 20 كجم COD/م³·ي إلى 37 كجم COD/م³·ي. ظلت النفايات السائلة النهائية من النظام المدمج مستقرة، مع تركيز COD أقل من 100 ملغم / لتر. في ظل صدمة التحميل العضوية العالية المستمرة، كان أداء نظام MBBR جيدًا، على الرغم من أن COD للنفايات السائلة أظهر زيادة طفيفة عندما وصل معدل التدفق إلى 150 لتر / ساعة. بعد الحفاظ على معدل تدفق 170 لتر/ساعة لعدة أيام، لوحظ اتجاه تصاعدي ملحوظ في COD للنفايات السائلة MBBR. ومع ذلك، مع عملية A/O اللاحقة، تم الحفاظ على التدفق النهائي للنظام المدمج أقل من 100 ملجم / لتر. ويشير هذا إلى أنه حتى في ظل صدمة التحميل العضوي العالية البالغة 37 كجم من COD/م³·يوم، لا يزال للعملية المجمعة تأثير قوي في إزالة مياه الصرف الصحي لمعالجة الثوم.
تظهر منحنيات التباين لـ NH₃-N وTN فيالشكلان 5 (ب) و (ج)، على التوالى. تحتوي مياه الصرف الصحي لمعالجة الثوم على تركيزات عالية من نيتروجين الأمونيا والنيتروجين الكلي، والتي يمكن أن تزيد بمرور الوقت بسبب الأكسدة. عادةً، يتراوح تركيز نيتروجين الأمونيا من 300 إلى 500 ملجم / لتر، والنيتروجين الإجمالي من 450 إلى 600 ملجم / لتر. في ظل النترجة ونزع النتروجين المتزامنين في MBBR، كانت إزالة نيتروجين الأمونيا أكثر فعالية، على الأرجح لأن البكتيريا الآزوتية تستخدم مياه الصرف الصحي بشكل أكثر كفاءة تحت التهوية. تتطلب بكتيريا إزالة النتروجين ظروف نقص الأكسجين وغالبًا ما تعتمد على الكربون العضوي المستهلك لإزالة النتروجين. عند زيادة معدل التدفق، كانت كفاءة إزالة NH₃-N وTN هي الاعتبار الأساسي. من الأيام 1 إلى 4، نظرًا لانخفاض معدل التدفق واعتدال NH₃-N، ظل معدل إزالة NH₃-N أعلى من 90%، وزادت كفاءة إزالة TN تدريجيًا. وفي وقت لاحق، ارتفع معدل التدفق بشكل ملحوظ. وقد لوحظ بوضوح أنه مع زيادة معدل التدفق، ارتفعت تركيزات النفايات السائلة من NH₃ - N وTN في مراحل مختلفة بشكل تسلسلي، مع ارتفاع معدلات التدفق مما يؤدي إلى تركيزات أعلى من النفايات السائلة. ومع زيادة معدل التدفق، زادت الكتلة الحيوية الموجودة على حاملات الأغشية الحيوية، مما أدى إلى تعزيز النترجة، حيث يتأكسد نيتروجين الأمونيا عن طريق نترجة البكتيريا إلى نترات ونتريت تحت الأكسجين.
يظهر منحنى تباين تركيز TP فيالشكل 5 (د). نظرًا للتركيزات العالية لـ COD وTN، فإن تركيز TP الأمثل النظري للنمو الميكروبي يزيد عن 100 مجم / لتر. ومع ذلك، كان تركيز TP المؤثر أقل بكثير من هذا الشرط النظري. لذلك، ظل تركيز TP للنفايات السائلة MBBR حوالي 10 مجم / لتر، وتم الحفاظ على تركيز TP للنفايات السائلة في النظام المشترك النهائي بين 2-3 مجم / لتر.
تم قياس خصائص الحمأة لنظام MBBR ونظام A/O اللاحق قبل وبعد التشغيل، كما هو موضح فيالجدول 2.
في ملخص،عندما تمت زيادة معدل التدفق إلى 150 لتر/ساعة، كانت معدلات إزالة COD وNH₃-N وTN وTP متفوقة على تلك الموجودة في معدلات التدفق الأخرى. وكان العلاج التعويضي بالهرمونات بمعدل التدفق هذا 27 ساعة. علاوة على ذلك، زاد تركيز الحمأة في كل من نظامي MBBR وA/O بشكل كبير بعد التشغيل.
3. الاستنتاج
بعد تكوين الغشاء الحيوي في MBBR، كانت كفاءات إزالة COD وNH₃-N وTN وTP مستقرة. خلال شهر واحد من التشغيل المستمر في ظل ظروف مستقرة، وصلت إزالة COD إلى أكثر من 95%، واستقرت إزالة NH₃-N وTN عند حوالي 80%، واستقرت إزالة TP عند حوالي 90%.
تمت معالجة النفايات السائلة MBBR بشكل أكبر في نظام A/O. يمكن أن تتحمل العملية المجمعة تحميلًا عضويًا يصل إلى 37 كجم من COD/م³·يوم. كانت العملية المثالية للعملية بأكملها تحت العلاج التعويضي بالهرمونات لمدة 27 ساعة. استقر COD للنفايات السائلة النهائية أقل من 100 مجم / لتر، NH₃ - N بين 10-20 مجم / لتر، TN أقل من 30 مجم / لتر، و TP أقل من 10 مجم / لتر. كان تركيز الحمأة في نظام MBBR بعد التشغيل 8.5 جم/لتر، وفي نظام A/O كان 4.1 جم/لتر، وكلاهما أعلى بكثير مما كان عليه قبل التشغيل، مما يشير إلى زيادة كبيرة في الكتلة الحيوية الميكروبية. استوفت مستويات COD ونيتروجين الأمونيا بعد المعالجة البيولوجية معيار التفريغ الثانوي GB18918-2002. لمزيد من المعالجة، يمكن استخدام تكنولوجيا الأكسدة المتقدمة من Fenton للمعالجة العميقة للنفايات السائلة المعالجة بيولوجيًا لتحقيق معيار التفريغ من المستوى الأول.