أداء إزالة الملوثات لنظام S-MBBR لمعالجة مياه الصرف الصحي ذات النسبة المنخفضة لنسبة C/N: تحليل COD وTN وNH₄⁺-N وTP

تحليل أداء إزالة الملوثات في نظام S-MBBR لمعالجة مياه الصرف الصحي ذات النسبة المنخفضة من C/N

مقدمة

مع تسارع التحضر والتصنيع، يتزايد تصريف المياه العادمة ذات النسبة المنخفضة C/N (نسبة الكربون إلى النيتروجين المنخفضة)، والتي تنشأ بشكل رئيسي من مياه الصرف الصحي المنزلية، وتجهيز الأغذية، والزراعة، ومياه التبريد المتداولة. لمعالجة ضعف كفاءة إزالة النيتروجين الكلي (TN) في مياه الصرف الصحي ذات نسبة C / N المنخفضة، جذبت عملية إزالة النتروجين والنترجة القصيرة والنترجة المتزامنة ونزع النتروجين (SND) الاهتمام في السنوات الأخيرة. نسبيًا، من الأسهل التحكم في ظروف التفاعل لعملية SND، ويمكنها تحقيق إزالة الكربون وإزالة النيتروجين في وقت واحد. ولذلك، فإنه يتمتع بميزة كبيرة في معالجة إزالة النيتروجين لمياه الصرف الصحي ذات نسبة C/N المنخفضة. يسهل مفاعل الدفعة التسلسلي (SBR) إزالة النيتروجين والفوسفور عن طريق التحكم في تركيز الأكسجين المذاب. عندما يقترن بمفاعل الأغشية الحيوية ذات الطبقة المتحركة (MBBR) لتشكيل نظام S-MBBR، يوفر الأغشية الحيوية الموجودة على الحاملات ظروف نمو طبقية للبكتيريا الآزوتية الهوائية وبكتيريا إزالة النتروجين غير المؤكسدة، مما يخلق بيئة دقيقة SND مع زيادة المساحة السطحية المحددة والاستقرار الميكروبي للنظام في نفس الوقت. أظهرت الدراسات أن S-MBBR يتفوق على العمليات التقليدية من حيث كفاءة إزالة النيتروجين والفوسفور، ومقاومة الصدمات، واستقرار النظام.

1 المواد والأساليب

1.1 الإعداد التجريبي.يتكون الإعداد التجريبي بشكل أساسي من خزان التدفق، ومنفاخ الهواء، وجهاز التحريك، وخزان النفايات السائلة، والمفاعل الرئيسي. كان الحجم الفعال للمفاعل 1.8 لترًا، وكانت سعة المعالجة لكل دورة 1 لترًا. وتم ملء المفاعل بنوع جديد من الناقل الحيوي المصاحب بنسبة تعبئة تبلغ حوالي 25%. كان تركيز المواد الصلبة العالقة المتطايرة المختلطة الأولي (MLVSS) في المفاعل 3000 ملغم/لتر.

1.2 المواد التجريبية.تم تحضير حشو الحامل المعدل بالتقارب من خلال المزج الفيزيائي وتكنولوجيا البثق اللولبي. كان الإجراء المحدد كما يلي: تم خلط 3% من الحديد صفر التكافؤ، وHDPE، والمواد المساعدة (2% زيوليت طبيعي، 2% بولي كواتيرنيوم-10، و1% مسحوق التلك) بشكل موحد. بعد ذلك، تم صهر الخليط باستخدام جهاز بثق أحادي اللولب SJ-20 وقذفه إلى شرائح حبيبية (قطرها 5 مم تقريبًا، وطولها 5-10 مم). أخيرًا، تم بثق هذه الجسيمات الصلبة باستخدام جهاز بثق أحادي اللولب SJ-30 لإنتاج الحامل النهائي.

1.3 ظروف التشغيل.تم إنشاء مفاعلين: أحدهما مزود بحاملات (S-MBBR، المعين باسم R1) والآخر بدون حاملات (SBR، المعين باسم R2). وتم الحفاظ على جميع الشروط الأخرى كما هي. كانت المرحلة الأولى هي بدء تشغيل ملحق الأغشية الحيوية، والذي تم تشغيله في وضع SBR بنسبة 3:3:2. تضمنت دورة التشغيل مراحل التفاعل المؤثر، والثابت، والتهوية، والتحريك غير المؤكسد، والترسيب، والنفايات السائلة (3 ساعات لاهوائية، 3 ساعات تهوية، 2 ساعة تحريك/ترسيب/سائل/نفايات سائلة). تم استخدام NaHCO₃ لضبط درجة الحموضة المؤثرة إلى حوالي 8. بعد نجاح ربط الأغشية الحيوية، تم تغيير تركيز نيتروجين الأمونيا لتقليل نسبة C/N وبدأت التجربة، كما هو مفصل فيالجدول 1.

1.4 مياه التجارب والحمأة الملقحة.تم توفير COD وNH₄⁺-N والفوسفور الكلي (TP) في مياه الصرف الصحي الاصطناعية المستخدمة لبدء تشغيل الأغشية الحيوية بواسطة C₆H₁₂O₆ وNH₄Cl وKH₂PO₄، على التوالي. تتكون العناصر النزرة من EDTA-2Na (18.76 جم/لتر)، CoCl₂·6H₂O (0.3 جم/لتر)، CuSO₄·5H₂O (0.32 جم/لتر)، NiCl₂·6H₂O (0.24 جم/لتر)، H₃BO₄ (0.018 جم/لتر)، ZnSO₄·7H₂O (0.54 جم/لتر)، MnCl₂·4H₂O (1.24 جم/لتر)، NaMoO₄·2H₂O (0.28 جم/لتر)، وNaWO₄·2H₂O (0.1 جم/لتر). كان تكوين مياه الصرف الصناعي هو: C₆H₁₂O₆ (0.47 جم/لتر)، NH₄Cl (0.095 جم/لتر)، KH₂PO₄ (0.022 جم/لتر)، NaCl (0.1 جم/لتر)، NaHCO₃ (0.15 جم/لتر)، MgSO₄·7H₂O (0.15 جم/لتر)، CaCl₂ (0.05 جم/لتر)، FeSO₄·7H₂O (0.02 جم/لتر)، والعناصر النزرة (1 مل/لتر). تم أخذ الحمأة من خزان الترسيب الثانوي لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي في داليان.

1.5 الأساليب التحليلية.تم قياس المؤشرات الروتينية وفقًا للطرق القياسية المحددة في "الطرق القياسية لفحص المياه ومياه الصرف الصحي" (الإصدار الرابع) والمعايير الوطنية، بما في ذلك تحليل قدرة إزالة الملوثات، وتحليل قاذورات الأغشية، وتحليل إنتاج الغاز. على وجه التحديد: تم قياس NH₄⁺-N بواسطة الطريقة الطيفية لكاشف حمض الساليسيليك؛ TP بواسطة طريقة قياس الطيف الضوئي لموليبدات الأمونيوم؛ NO₃⁻-N بواسطة الطريقة الطيفية لكاشف حمض الكبريتيك المركز بحمض الساليسيليك؛ NO₂⁻-N بطريقة قياس الطيف الضوئي N-(1-naphthyl)إيثيلين ثنائي أمين؛ كان TN مجموع تركيزات جميع أشكال النيتروجين؛ تم قياس COD بطريقة الهضم السريع؛ وتم قياس تركيز الحمأة (بما في ذلك MLSS وMLVSS) بالطريقة الوزنية.

2 النتائج والتحليل

2.1 أداء إزالة COD

تمت إزالة المادة العضوية التي تدخل المفاعل من خلال مراحل تشمل اللاهوائية، والهوائية (التهوية)، والتحريك غير المؤكسد، والترسيب، والنفايات السائلة.الشكل 1يُظهر أداء إزالة COD للمفاعلات في مراحل تشغيلية مختلفة. كانت المرحلة الأولى هي مرحلة ربط الأغشية الحيوية، وكانت المراحل الثانية والثالثة والرابعة هي المراحل التي تم فيها تخفيض نسبة C/N/P إلى 100:8:1، 64:8:1، و32:6:1، على التوالي. وكان متوسط ​​معدلات الإزالة لـ R1 في كل مرحلة 95.57%، 96.25%، 92.70%، و94.18%، على التوالي؛ وكان متوسط ​​معدلات الإزالة لـ R2 في كل مرحلة 94.71%، 96.19%، 92.54%، و94.68%، على التوالي. يمكن ملاحظة أن هذه العملية تتمتع بأداء جيد في إزالة المواد العضوية، وفي ظل ظروف النفايات السائلة المستقرة نسبيًا، فقد استوفت متطلبات معيار GB 18918-2002 (تركيز COD أقل من 50 مجم / لتر). منذ أن تم تشغيل النظام بنسبة C / N منخفضة، أصبح مصدر الكربون هو الركيزة المحددة التي تحرك عملية التمثيل الغذائي الفعال. لم يكن هناك اختلاف كبير في إزالة COD بين R1 وR2، مما يدل على أن الناقل المعدل كان له تأثير ضئيل على إزالة COD.

2.2 أداء إزالة NH₄⁺-N وTN

تتضمن عملية إزالة TN خطوتين رئيسيتين: النترجة ونزع النتروجين. تعتمد عملية النترجة، باعتبارها عملية هوائية، على ما يكفي من الكائنات الحية الدقيقة الهوائية لتحويل نيتروجين الأمونيا إلى نترات.الشكلان 2 و 3أظهر أداء إزالة NH₄⁺-N وTN للمفاعلات، على التوالي. تمت إزالة NH₄⁺-N وTN بشكل أساسي أثناء مراحل التهوية الهوائية ونقص الأكسجين الساكنة. كانت المرحلة الأولى هي مرحلة ربط الأغشية الحيوية، وكانت المراحل الثانية والثالثة والرابعة هي المراحل التي تم فيها تخفيض نسبة C/N/P إلى 100:8:1، 64:8:1، و32:6:1، على التوالي. كان متوسط ​​معدلات إزالة NH₄⁺-N لـ R1 هو 92.53%، 95.83%، 99.70%، و98.31%، على التوالي؛ كان متوسط ​​معدلات إزالة NH₄⁺-N لـ R2 84.34%، 91.82%، 99.70%، و97.52%، على التوالي. وكان متوسط ​​معدلات إزالة TN لـ R1 89.53%، 87.21%، 82.44%، و83.20%، على التوالي؛ كان متوسط ​​معدلات إزالة TN لـ R2 78.3%، 78.89%، 73.26%، و76.66%، على التوالي. بالمقارنة مع R2، زاد متوسط ​​معدلات إزالة NH₄⁺-N لـ R1 بنسبة 9.7% و4.36% و0% و0.82% على التوالي؛ ارتفع متوسط ​​معدلات إزالة TN بنسبة 14.35% و10.55% و12.54% و8.3% على التوالي. ويمكن ملاحظة تفوق نظام R1 على نظام R2 في إزالة النيتروجين في جميع المراحل، خاصة في المراحل الأولى من تشغيل النظام، مع استقرار الفارق تدريجياً في المراحل اللاحقة.

خلال المرحلة الأولى، كان تركيز NH₄⁺-N المتدفق منخفضًا، وكان مصدر الكربون كافيًا نسبيًا لتلبية متطلبات إزالة النتروجين بشكل أساسي، لذلك كان تركيز TN المتدفق منخفضًا. كانت الكائنات الحية الدقيقة الملقحة لا تزال في مرحلة التكيف، ولم يتم إنشاء المجتمع الميكروبي الوظيفي داخل النظام بشكل كامل، مما أدى إلى إزالة NH₄⁺-N غير مستقرة، لكنه استقر تدريجيًا لاحقًا. ولم يلاحظ أي فرق كبير بين المفاعلين (R1 وR2) خلال هذه المرحلة. مع دخول المرحلة الثانية، زاد تركيز NH₄⁺-N المؤثر فجأة، ولكن لم يتم تعديل ظروف التهوية في وقت واحد، مما تسبب في تقلبات كبيرة في النظام، خاصة في إزالة NH₄⁺-N وTN. وبعد حوالي 6 أيام من التشغيل، استعاد المفاعلان استقرارهما تدريجيًا. ومن المتوقع أن ارتفاع حمولة نيتروجين الأمونيا عزز الانتشار السريع للبكتيريا الآزوتية، وبالتالي تحسين كفاءة عملية النترجة. مع استمرار تشغيل النظام، تم إنشاء نظام النترجة ونزع النتروجين داخل المفاعلات واستقر تدريجيًا، وانخفض تقلب تركيز TN. نظرًا لوجود الحامل المعدل، حقق نظام R1 انخفاضًا في TN المتبقي، حيث قام الحامل بتحسين معدل إزالة TN للمفاعل وأيضًا تعزيز قدرة النظام على التكيف مع أحمال الصدمات. في اليوم 49، لتحسين إزالة PO₄، تمت زيادة كثافة التهوية، مما يعزز عملية النترجة الأكثر اكتمالاً. ومع ذلك، أدت الزيادة في النترات الناتجة عن النترجة إلى زيادة الطلب على مصادر الكربون لإزالة النتروجين، في حين كان مصدر الكربون المؤثر غير كاف نسبيا في هذه المرحلة، مما أدى إلى درجة معينة من الزيادة في النفايات السائلة TN. في المرحلة الثالثة، تم تخفيض COD بشكل أكبر، مما يجعل مصدر الكربون متاحًا لإزالة النتروجين داخل المفاعل أكثر ندرة، مما يحد من إزالة TN، وزيادة المستوى العام لتركيز TN السائل. ومع ذلك، لا يزال نظام R1 يحتفظ بأداء إزالة TN أفضل من R2، مما يدل على التأثير المعزز للحامل. في المرحلة الرابعة، تم زيادة تركيز نيتروجين الأمونيا. بناءً على الخبرة المكتسبة من المرحلة السابقة، تمت زيادة التهوية قليلاً وتم تمديد وقت التهوية إلى 4 ساعات، مما يعزز نشاط البكتيريا الآزوتية، مما يجعل عملية النترجة أكثر اكتمالاً، ويحسن كفاءة إزالة NH₄⁺-N. ومع ذلك، في مواجهة التحدي المتمثل في نقص مصدر الكربون، كانت عملية نزع النتروجين محدودة، وزاد تركيز TN قليلاً في المرحلة اللاحقة. بشكل عام، كان مفاعل R1 لا يزال متفوقًا على R2، مما يُظهر قدرة أقوى على إزالة TN، مما يشير إلى أنه بعد التشغيل طويل المدى، وفرت بنية الأغشية الحيوية المستقرة وبيئة نقص الأكسجين الهوائية التآزرية المتكونة في R1 مساحة وظروفًا جيدة لعملية النترجة ونزع النتروجين المتزامنة (SND). تشانغ كيفانغ وآخرون. استخدمت عملية SBR لمعالجة مياه الصرف الصحي ذات نسبة C/N المنخفضة، وتحقيق أكسدة المواد العضوية، والنترجة، ونزع النتروجين داخل مفاعل واحد، مع معدل إزالة TN يتجاوز 80%. تثبت هذه النتائج بشكل فعال أن عملية إزالة النتروجين البيولوجية في مرحلة واحدة أمر ممكن تمامًا.

2.3 أداء إزالة TP

في معالجة مياه الصرف الصحي، تعتمد إزالة الفوسفور بشكل أساسي على كائنات دقيقة محددة، مثل الكائنات الحية المتراكمة للفوسفور (PAOs)، والتي تمتص الفوسفور القابل للذوبان في الظروف الهوائية وتطلق الفوسفور في الظروف اللاهوائية.الشكل 4يُظهر أداء إزالة TP للمفاعلات. تمت إزالة TP خلال مرحلة التهوية الهوائية. بقي تركيز TP في المراحل الأولى والثانية والثالثة دون تغيير، مع متوسط ​​تركيز مؤثر قدره 5.01 ملغم / لتر. في المرحلة الرابعة، كان متوسط ​​تركيز TP المؤثر 10.30 ملغم/لتر. كان متوسط ​​تركيزات النفايات السائلة لـ R1 في كل مرحلة 0.27 ملجم / لتر، 0.16 ملجم / لتر، 0.13 ملجم / لتر، و 1.92 ملجم / لتر، على التوالي، مع متوسط ​​معدلات إزالة 94.73٪، 96.78٪، 97.54٪، و 81.35٪، على التوالي. كان متوسط ​​تركيزات النفايات السائلة لـ R2 0.39 ملجم / لتر، 0.35 ملجم / لتر، 0.33 ملجم / لتر، و 0.33 ملجم / لتر، على التوالي، مع متوسط ​​معدلات إزالة 92.19٪، 93.01٪، 93.61٪، و 68.79٪، على التوالي. بالمقارنة مع R2، زاد متوسط ​​معدلات إزالة TP لـ R1 بنسبة 2.75% و4.05% و4.20% و18.26% في كل مرحلة، على التوالي.

في نظام R1، يوفر الناقل سطحًا للارتباط الميكروبي، مما يعزز نمو واستقلاب PAOs، مما يساعد على تكوين غشاء حيوي مستقر، ويعزز نشاط المجتمع الميكروبي، وبالتالي تحسين قدرة إزالة الفسفور في المفاعل وجعل عملية إزالة الفوسفور البيولوجي أكثر كفاءة. في المرحلة الثانية، من خلال تغيير تركيز NH₄⁺-N لتعزيز النترجة، زاد استهلاك الأكسجين في النظام. لذلك، في اليوم 49، تمت زيادة التهوية لتسريع عملية إزالة الفوسفور. في المرحلة الثالثة، أدى انخفاض COD إلى نقص مصدر الكربون، الأمر الذي لم يعيق عملية نزع النتروجين فحسب، بل أثر أيضًا على النشاط الأيضي لـ PAOs. في المرحلة الرابعة، انهار النظام بسبب انخفاض نسبة C/N في المفاعل من 8 إلى 5.3. أدت المنافسة الشديدة على مصادر الكربون إلى تقليل مصدر الكربون المتاح لـ PAOs في المرحلة اللاهوائية، مما أدى إلى انخفاض في تخليق PHA، والذي أثر بدوره على التحلل المائي متعدد الفوسفات وأكسدة PHA في الظروف الهوائية، مما أدى في النهاية إلى إعاقة نمو PAO وقدرة امتصاص الفوسفور، مما أدى إلى انخفاض كفاءة إزالة الفوسفور. ومع ذلك، فإن الفوسفور المتبقي في R1 كان لا يزال أقل منه في R2، مما يشير إلى أن التأثير المعزز للحامل لا يزال موجودًا.

3 الاستنتاج

تم إجراء تجربة مقارنة بين نظام S-MBBR المبني ونظام SBR لتقييم أداء إزالة النيتروجين والفوسفور بشكل منهجي في ظل ظروف مياه الصرف الصحي ذات نسبة C / N المنخفضة. أظهرت النتائج أن نظام S-MBBR تفوق على نظام SBR التقليدي في إزالة COD وNH₄⁺-N وTN وTP. خاصة في ظل ظروف نقص مصدر الكربون، وصلت الحد الأقصى للزيادات في معدلات إزالة TN وNH₄⁺-N إلى 14.35% و8.19% على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، أظهر نظام S-MBBR مقاومة قوية لصدمات الحمل واستقرار النفايات السائلة في مراحل التشغيل المختلفة. أدى إدخال الناقلات المعلقة إلى تحسين البنية البيئية الدقيقة للنظام بشكل فعال، وتعزيز حدوث النترجة ونزع النتروجين المتزامنين (SND)، وتعزيز التنوع الميكروبي والنشاط الأيضي، وتحسين قدرة المعالجة الشاملة للنظام. تشير نتائج البحث إلى أن تقنية S-MBBR لديها آفاق تطبيق جيدة لمعالجة مياه الصرف الصحي ذات نسبة C / N المنخفضة ويمكن أن توفر الدعم الفني لتحسين وتحديث عمليات معالجة مياه الصرف الصحي الحالية.