Verbesserte mikrobielle Behandlung von Knoblauchabwasser mittels MBBR + A/O-Verfahren
Überblick
Knoblauchabwasserentsteht hauptsächlich durch Schneid- und Spülprozesse bei der Knoblauchverarbeitung. Es zeichnet sich aus durchhohe Konzentrationen an organischer Substanz, sweist erhebliche Mengen an Stickstoff und Phosphor auf und enthält erhebliche Mengen an Allicin. Allicin (Diallylthiosulfinat) ist eine flüchtige Flüssigkeit, die für den stechenden Geruch von Knoblauch verantwortlich ist und chemisch instabil und hochreaktiv ist. Allicin kann das Wachstum verschiedener Mikroorganismen hemmen. Die unbehandelte Einleitung von hochkonzentriertem Knoblauchabwasser verursacht schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt. Einige Forscher haben Techniken wie Membranfiltration, Fenton-Oxidation und Mikroelektrolyse eingesetzt, aber diese Methoden waren bei der Behandlung von Knoblauchabwasser nicht wirksam, und der Einsatz großer Chemikaliendosen erhöht die Kosten für die Folgebehandlung. Viele Wissenschaftler haben biologische Behandlungsmethoden vorgeschlagen, die anaerobe-aerobe kombinierte Prozesse nutzen. Aufgrund der antibakteriellen Eigenschaften von Allicin sind Mikroorganismen jedoch schwierig zu kultivieren und die Behandlungseffizienz ist nicht optimal. Daher liegt der Schwerpunkt der biologischen Behandlung aufKultivierung und Akklimatisierung von Mikrobenstämmen, die in der Lage sind, sich an Knoblauchabwasser anzupassen und deren biologischen Abbau zu fördern.
Diese Studie umfasste Kultivierung und ScreeningBakterienstämme, die Knoblauchabwasser effektiv abbauen, die dann in a eingeführt wurdenBewegtbett-Biofilmreaktor (MBBR). Unter Verwendung von beimpftem Schlamm und einer die Fließgeschwindigkeit steigernden Biofilmbildungsmethode wurden Biofilme aufgebaut, um die Entfernung von Stickstoff und Phosphor aus dem Abwasser zu verbessern. Darauf folgte eine weitere biochemische A/O-Behandlung (Anoxic/Oxic). Gemäß der Norm GB18918-2002 können die Gehalte an CSB und Ammoniakstickstoff (NH₃-N) im Abwasser den Sekundärstandard (CSB: 100 mg/L, NH₃-N: 25–30 mg/L) erfüllen. Dieser Prozess reduziert effektiv den organischen Gehalt im Abwasser und verringert so die Schwierigkeit nachfolgender Behandlungsstufen.
1. Experimenteller Abschnitt
1.1 Prozessablaufdesign
Der Gesamtprozessablauf für die Abwasserbehandlung von Knoblauch ist in dargestelltAbbildung 1, wobei die Kernkomponente die istbiologischer Abbau im MBBR + A/O-System. Drei gescreente und isolierte Stämme, die Knoblauchabwasser wirksam abbauen – Alcaligenes sp., Acinetobacter sp. und Achromobacter sp. – wurden mit Belebtschlamm vermischt und in die MBBR-Einheit eingeführt, um deren schnelle Inbetriebnahme zu erleichtern.
1.2 MBBR + A/O-Behandlungsprozess
Nach dem Durchlaufen von Grob- und Feinsieben zur Entfernung suspendierter Feststoffe wird das Knoblauchabwasser direkt in den MBBR gepumpt. Die Zuflussqualität wird in angezeigtTabelle 1. Das Abwasser aus dem MBBR fließt direkt in das A/O-System. Aufgrund des geringen organischen Gehalts des MBBR-Abwassers wird rohes Knoblauchabwasser zweckmäßigerweise dem Oxic (O)-Tank zugeführt, um die Kohlenstoffquelle für den A/O-Prozess zu ergänzen. Um die Schlagfestigkeit des Systems zu testen, wurde die organische Beladungsrate des MBBR im Dauerbetrieb schrittweise erhöht und die Abwasserqualität überwacht.
1.3 Prozessparameter
1.3.1 Gelöster Sauerstoff (DO)
Ein zu hoher Sauerstoffgehalt im Biofilm kann die Denitrifikation verhindern und dazu führen, dass der MBBR seine gleichzeitige Nitrifikations- und Denitrifikationsfähigkeit verliert. Ein zu niedriger Sauerstoffgehalt kann zur Vermehrung filamentöser Bakterien führen, die Abwasserqualität beeinträchtigen und den Nitrifikationsprozess hemmen.
1.3.2 Hydraulische Verweilzeit (HRT)
Eine zu kurze HRT führt zu intensiven Reaktionsbedingungen, bei denen Abwasser, das die meisten organischen Stoffe enthält, abgeleitet wird, bevor es vollständig absorbiert wird. Der kontinuierliche Zufluss hält die Mikroorganismen in einem konstanten biologischen Abbauzustand, was die Effizienz verringert und den Energieverbrauch erhöht. Eine zu lange HRT führt zu einem Nährstoffmangel; Ohne Nährstoffe reduzieren Mikroorganismen ihre Aktivität und ihren Stoffwechselbedarf, um lediglich ihr Überleben zu sichern.
1.3.3 Kohlenstoff-zu-Stickstoff-Verhältnis (C/N)
Ein niedriges C/N-Verhältnis kann zur Katalyse der Umwandlung von Ammoniak in andere Substanzen führen und die Entfernung von Ammoniakstickstoff beeinträchtigen. Es führt auch leicht zu einer filamentösen Aufblähung, einem kontinuierlichen Wachstum, das die Flockung beeinträchtigt und zu einer Aufblähung des Schlamms und zur Bildung von Schwimmschlamm führt. Ein hohes C/N-Verhältnis ist für den biologischen Abbau und das Wachstum von Mikroben ungünstig und erhöht die organische Belastung der Mikroorganismen.
1,4 MBBR-Biofilm-Start-
Biofilm-Start-: Es wurde die Methode mit beimpftem Schlamm + Durchflussrate- verwendet. Mit MBR- angereicherter Belebtschlamm wurde in den Reaktor geimpft, mit einer anfänglichen Konzentration gemischter suspendierter Feststoffe (MLSS) von etwa 5,82 g/L. Es wurde mit der Belüftung begonnen und dem Reaktor wurden Polyethylenträger zugesetztFüllgrad ca. 60 %. DerTUNim Reaktor wurde kontrolliertüber 4,0 mg/L. Die Zuflussrate wurde schrittweise in Schritten von 20 l/h erhöht: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 l/h, wobei jede Flussrate einen Tag lang aufrechterhalten wurde. In dieser Phase wurde kein Schlamm verschwendet. Auf der Oberfläche der Träger bildete sich ein hellgelber Biofilm, an dem sich Mikroorganismen anhefteten und wuchsen. Nach erfolgreichem Biofilm-Start-wurde der stabile Betrieb fortgesetzt und einSchlammverweilzeit (SRT) von 30 Tagen. Während des stabilen Betriebs wurde die organische Beladungsrate des MBBR angepasst, um deren Auswirkungen auf die Entfernung von CSB, Stickstoff und Phosphor zu beobachten.
2. Ergebnisse und Diskussion
2.1 Analyse der MBBR-Abwasserqualität während des Biofilm-Starts-
Die Belüftungsintensität im MBBR wurde angepasst, um die DO-Konzentration zu kontrollieren. Wenn der Sauerstoffgehalt unter 4,0 mg/L lag, reichte die Belüftungsintensität nicht aus, um eine gleichmäßige, turbulente Bewegung der Träger mit hoher -Strömung zu unterstützen, was eine ausreichende Vermischung verhinderte und die Bildung eines Biofilms auf den Trägeroberflächen erschwerte. Wenn der Sauerstoffgehalt zwischen 4,0 und 6,0 mg/l lag, vermischten sich die Träger gründlich mit dem Belebtschlamm und dem Abwasser. Auf den Trägern wurde ein Farbwechsel von weiß zu gelblich-braun beobachtet, was auf eine erfolgreiche mikrobielle Anlagerung und ein erfolgreiches Wachstum bei dieser Belüftungsintensität hinweist, wie in gezeigtAbbildung 2.
Die Variationskurve des Zufluss- und Abfluss-CSB während der Startphase ist in dargestelltAbbildung 3(a). Der anfängliche Rückgang der Behandlungseffizienz war auf die sehr geringe Menge an anhaftenden Mikroorganismen auf den Trägern zurückzuführen; Der Abbau durch Mikroorganismen im Belebtschlamm allein reichte nicht aus, um die große Menge an organischen Stoffen zu entfernen. Mit fortschreitender Inbetriebnahme nahm die Menge an anhaftenden Mikroorganismen auf den Trägern zu und es bildete sich nach und nach ein Biofilm. Die CSB-Konzentration im Abwasser stabilisierte sich allmählich und die CSB-Entfernungseffizienz stabilisierte sich bei über 90 %.
Die Variationskurve des MBBR-Zulaufs und -Ablaufs NH₃-N ist in dargestelltAbbildung 3(b). Durch die Nitrifikation durch aerobe Bakterien im Belebtschlamm wurde Ammoniakstickstoff effektiv entfernt. Ab Tag 7 stieg die NH₃-N-Konzentration im Zufluss allmählich an. Bis zum 23. Tag nahm die Entfernungsrate zu, obwohl der einströmende NH₃-N immer noch zunahm. Dies liegt daran, dass nitrifizierende Bakterien zunächst langsam wachsen; Mit der Zeit nahm ihre Population zu, der Biofilm reifte und die NH₃-N-Entfernungsrate nahm allmählich zu und stabilisierte sich.
Die Variationskurve der MBBR-Zulauf- und -Ablauf-TN ist in dargestelltAbbildung 3(c). Im Gegensatz zur Entfernung von Ammoniakstickstoff nahm die Effizienz der TN-Entfernung zunächst ab. Dies lag daran, dass die Reaktorumgebung über reichlich Sauerstoff- und Kohlenstoffquellen verfügte, was das Wachstum denitrifizierender Bakterien begrenzte. Mit der Bildung des Biofilms begann sich jedoch die Effizienz der TN-Entfernung zu verbessern. Obwohl die TN-Konzentration im Zufluss zunahm, stabilisierten sich am 20. Tag die TN- und Entfernungsrate im Abfluss und lagen zwischen 50 % und 60 %.
Die Variationskurve der MBBR-Zulauf- und -Ablauf-TP ist in dargestelltAbbildung 3(d). Vom Start-bis zum stabilen Betrieb blieb die TP-Entfernungsrate stabil. Obwohl die TP-Konzentration im Zufluss anfangs hoch war und später abnahm, zeigte die Entfernungseffizienz keine signifikante Änderung, was auf die Fähigkeit des Systems zur Phosphorentfernung hinweist. Die TP-Entfernungsrate im System wurde zwischen 80 % und 90 % gehalten.
Zusammenfassend:Bei Aufrechterhaltung des Sauerstoffgehalts des MBBR-Systems zwischen 4 und 6 mg/l entwickelte sich nach 20 Tagen kontinuierlicher Fütterung ein reifer Biofilm. Im Vergleich zu herkömmlichen Belebtschlammverfahren bietet das MBBR-System eine hohe Schlagfestigkeit und eine hohe Behandlungseffizienz, wodurch die Schwierigkeit nachfolgender Behandlungsstufen für Knoblauchverarbeitungsabwasser wirksam verringert wird.
2.2 Analyse der Abwasserqualität im stabilen Betrieb
Nach der Startphase des Biofilms reifte der Biofilm. Um die Schlagfestigkeit des MBBR-Systems zu testen, wurde die organische Beladungsrate im stabilen Betrieb kontinuierlich erhöht.
Die Variationskurve des MBBR-Zufluss- und -Abfluss-CSB während des stabilen Betriebs ist in dargestelltAbbildung 4(a). Von Tag 1 bis 5 blieb die CSB-Entfernungseffizienz bei konstantem Zufluss über 95 %, und die CSB-Konzentration im Abfluss erreichte etwa 100 mg/l. Von den Tagen 5 bis 20 wurde die Zuflussrate erhöht, wodurch die organische Belastung schrittweise von 20 kg COD/m³·d auf 30 kg COD/m³·d anstieg. Es wurde keine signifikante Änderung der Entfernungseffizienz beobachtet, und der CSB im Abwasser blieb zwischen 80 und 100 mg/l, was eine starke Schlagfestigkeit zeigt. Nach Tag 20 wurde die Zuflussrate weiter erhöht, wodurch die organische Belastung im Reaktor kontinuierlich von 30 kgCOD/m³·d auf 37 kgCOD/m³·d anstieg und 5 Tage lang beibehalten wurde. Die CSB-Entfernungskapazität des MBBR blieb über 95 %.
Abbildungen 4(b) und (c)zeigen die Variationskurven für NH₃-N bzw. TN im stabilen Betrieb. Vom 1. bis zum 5. Tag zeigte der MBBR-Biofilm bei konstantem Zufluss eine gleichzeitige Nitrifikation und Denitrifikation. Aerobe nitrifizierende Bakterien, die an der äußeren Schicht des Biofilms haften und unter Belüftung vollständig mit dem Abwasser vermischt sind, verbrauchen durch Nitrifikation erhebliche Stickstoffquellen. Denitrifizierende Bakterien in der inneren anoxischen Schicht entfernten effektiv Nitratstickstoff durch Denitrifikation. Von den Tagen 5 bis 20 nahm die Entfernungseffizienz von NH₃-N und TN mit zunehmender Zuflussrate zunächst deutlich ab. Nach etwa 7 Tagen Dauerbetrieb passte sich das System schrittweise an. Obwohl die Entfernungseffizienz für NH₃-N und TN dann zunahm, blieb sie niedriger als während der Zeit mit geringem -Durchfluss. Bei konstantem Zufluss erreichte die NH₃-N-Entfernung über 90 %, wobei der NH₃-N-Wert im Abfluss zwischen 10 und 15 mg/L lag, und die TN-Entfernung wurde grundsätzlich über 80 % gehalten, mit einem TN-Wert im Abfluss von etwa 30 mg/L. Nachdem der Zufluss erhöht wurde und das System unter kontinuierlicher Einwirkung ein neues Gleichgewicht erreichte, stabilisierte sich die NH₃-N-Entfernung bei etwa 80 %, wobei der NH₃-N-Wert im Ausfluss zwischen 50 und 70 mg/L lag, und die TN-Entfernung bei etwa 60 %, wobei der TN im Ausfluss unter 50 mg/L lag.
Die Variationskurve für TP während des stabilen Betriebs ist in dargestelltAbbildung 4(d). Die TP-Konzentration im Abwasser wurde grundsätzlich bei etwa 10 mg/L gehalten. Anfänglich war der Behandlungseffekt bei konstant niedrigem Durchfluss und niedriger TP-Konzentration im Zufluss begrenzt. Mit steigender Zuflussrate und eintretender TP-Konzentration wurde während der gesamten Einwirkungsphase und dem anschließenden Hochlastbetrieb eine hohe Behandlungseffizienz erreicht, wobei die TP-Entfernungsrate um etwa 90 % schwankte.
Zusammenfassend:Unter hohem organischen Belastungsschock blieb die CSB-Entfernungseffizienz des Systems weitgehend unverändert, die Entfernung von NH₃-N und TN nahm jedoch deutlicher ab. Als die organische Belastung ihr Maximum von 37 kgCOD/m³·d erreichte, nahm die Entfernungseffizienz des Systems für NH₃-N und TN merklich ab.
2.3 Abwasserqualitätsanalyse des MBBR + A/O-Systems
Nach der Startphase des Biofilms und einem Monat stabilen Betriebs wurde nachgeschaltet ein A/O-Prozess zur erweiterten Behandlung des MBBR-Abwassers hinzugefügt. Zur Erhöhung der gesamten organischen Belastung wurden Gradientensteigerungen der Zuflussrate angewendet, um die optimale Zuflussrate zu bestimmen, die der optimalen HRT entspricht.
Die CSB-Variationskurve ist in dargestelltAbbildung 5(a). Die Zuflussrate erhöhte sich sukzessive: 100, 120, 130, 150, 170 l/h. Vom Start bis zur maximalen Durchflussrate stieg die organische Belastung des MBBR-Systems von 20 kgCOD/m³·d auf 37 kgCOD/m³·d. Der endgültige Abfluss aus dem kombinierten System blieb stabil, mit einer CSB-Konzentration unter 100 mg/l. Unter einem anhaltend hohen organischen Belastungsschock zeigte das MBBR-System eine gute Leistung, obwohl der CSB im Abwasser einen leichten Anstieg aufwies, als die Durchflussrate 150 l/h erreichte. Nachdem die Durchflussrate von 170 l/h mehrere Tage lang aufrechterhalten wurde, war ein deutlicher Anstieg des MBBR-Abfluss-CSB zu beobachten. Mit dem anschließenden A/O-Prozess wurde der endgültige kombinierte Systemabfluss jedoch immer noch unter 100 mg/L gehalten. Dies deutet darauf hin, dass der kombinierte Prozess selbst unter dem hohen organischen Belastungsschock von 37 kgCOD/m³·d immer noch eine starke Entfernungswirkung auf das Abwasser der Knoblauchverarbeitung hat.
Die Variationskurven für NH₃-N und TN sind in dargestelltAbbildungen 5(b) und (c), jeweils. Das Abwasser der Knoblauchverarbeitung weist hohe Konzentrationen an Ammoniakstickstoff und Gesamtstickstoff auf, die im Laufe der Zeit aufgrund von Oxidation weiter ansteigen können. Typischerweise liegt die Ammoniakstickstoffkonzentration zwischen 300 und 500 mg/L und die Gesamtstickstoffkonzentration zwischen 450 und 600 mg/L. Durch die gleichzeitige Nitrifikation und Denitrifikation im MBBR war die Entfernung von Ammoniakstickstoff effektiver, wahrscheinlich weil nitrifizierende Bakterien das Abwasser unter Belüftung effizienter nutzen. Denitrifizierende Bakterien benötigen anoxische Bedingungen und sind zur Denitrifizierung häufig auf verbrauchten organischen Kohlenstoff angewiesen. Bei der Erhöhung der Zuflussrate stand die Entfernungseffizienz von NH₃-N und TN im Vordergrund. Von Tag 1 bis 4 blieb die NH₃-N-Entfernungsrate aufgrund der geringen Durchflussrate und des mäßigen NH₃-N über 90 %, und die TN-Entfernungseffizienz stieg allmählich an. Anschließend wurde die Zuflussrate deutlich erhöht. Es wurde deutlich beobachtet, dass mit zunehmender Zuflussrate die Abwasserkonzentrationen von NH₃-N und TN in verschiedenen Stufen sequentiell anstiegen, wobei höhere Zuflussraten zu höheren Abwasserkonzentrationen führten. Mit zunehmender Durchflussrate nahm die Biomasse auf den Biofilmträgern zu und verstärkte die Nitrifikation, wobei Ammoniakstickstoff durch nitrifizierende Bakterien unter Sauerstoff zu Nitrat und Nitrit oxidiert wird.
Die Variationskurve der TP-Konzentration ist in dargestelltAbbildung 5(d). Angesichts der hohen CSB- und TN-Konzentrationen im Zufluss liegt die theoretisch optimale TP-Konzentration für mikrobielles Wachstum über 100 mg/L. Die TP-Konzentration im Zufluss lag jedoch weit unter diesem theoretischen Bedarf. Daher blieb die TP-Konzentration des MBBR-Abflusses bei etwa 10 mg/l, und die endgültige TP-Konzentration des kombinierten Systemabflusses wurde zwischen 2 und 3 mg/l gehalten.
Die Schlammeigenschaften des MBBR-Systems und des nachfolgenden A/O-Systems vor und nach dem Betrieb wurden gemessen, wie in gezeigtTabelle 2.
Zusammenfassend:Als die Durchflussrate auf 150 l/h erhöht wurde, waren die Entfernungsraten für CSB, NH₃-N, TN und TP besser als bei anderen Durchflussraten. Die HRT bei dieser Flussrate betrug 27 Stunden. Darüber hinaus stieg die Schlammkonzentration sowohl im MBBR- als auch im A/O-System nach dem Betrieb erheblich an.
3. Fazit
Nach der Biofilmbildung im MBBR waren die Entfernungseffizienzen für CSB, NH₃-N, TN und TP stabil. Während eines Monats Dauerbetrieb unter stabilen Bedingungen erreichte die CSB-Entfernung über 95 %, die NH₃-N- und TN-Entfernung stabilisierte sich bei etwa 80 % und die TP-Entfernung stabilisierte sich bei etwa 90 %.
Das MBBR-Abwasser wurde im A/O-System weiter behandelt. Der kombinierte Prozess könnte einer organischen Belastung von bis zu 37 kgCSB/m³·d standhalten. Der optimale Betrieb für den Gesamtprozess lag bei einer HRT von 27 Stunden. Der endgültige CSB des Abwassers stabilisierte sich unter 100 mg/L, NH₃-N zwischen 10–20 mg/L, TN unter 30 mg/L und TP unter 10 mg/L. Die Schlammkonzentration im MBBR-System betrug nach dem Betrieb 8,5 g/L und im A/O-System 4,1 g/L, beides deutlich höher als vor dem Betrieb, was auf einen erheblichen Anstieg der mikrobiellen Biomasse hinweist. Die CSB- und Ammoniak-Stickstoffwerte nach der biologischen Behandlung entsprachen der sekundären Einleitungsnorm von GB18918-2002. Zur weiteren Behandlung könnte die fortschrittliche Oxidationstechnologie von Fenton zur Tiefenbehandlung des biologisch behandelten Abwassers eingesetzt werden, um den Einleitungsstandard der ersten Stufe zu erreichen.