Verschmutzungscharakterisierung und Wiederherstellung der Belüftungsleistung von Feinporendiffusoren in Kläranlagen
Als entscheidender Schritt im Belebtschlammprozess kommunaler Kläranlagen (WWTPs) stellt die Belüftung zur Sauerstoffversorgung nicht nur ausreichend Sauerstoff zur Aufrechterhaltung der grundlegenden Lebensaktivitäten von Mikroorganismen bereit, sondern hält den Schlamm auch in der Schwebe, was die Adsorption und Entfernung von Schadstoffen erleichtert. Die Belüftung ist auch die energieverbrauchendste Einheit in Kläranlagen und macht 45 % bis 75 % des Gesamtenergieverbrauchs der Anlage aus. Daher wirkt sich die Leistung des Belüftungssystems direkt auf die Behandlungseffizienz und die Betriebskosten der Kläranlage aus. Belüftungsgeräte sind eine Schlüsselkomponente des Belüftungssystems, wobei Feinblasenbelüfter aufgrund ihrer hohen Sauerstoffübertragungseffizienz (OTE) in kommunalen Kläranlagen am häufigsten eingesetzt werden. Allerdings sammeln sich im Langzeitbetrieb Schadstoffe zwangsläufig an der Oberfläche und in den Poren der Belüfter an. Um die Abwasserqualität sicherzustellen, ist eine zusätzliche Luftzufuhr durch Gebläse erforderlich, was zu einem erhöhten Energieverbrauch führt. Darüber hinaus verstärkt die Verschmutzung die Porenverstopfung und verändert das Belüftermaterial. Der Druckverlust (dynamischer Nassdruck, DWP) der Belüfterkomponenten nimmt bei längerem Betrieb zu, was den Auslassluftdruck des Gebläses erhöht und weitere Energieverschwendung verursacht.
Zu den Schadstoffen, die sich auf der Oberfläche und in den Poren feinblasiger Belüfter ansammeln, gehören biologische, organische und anorganische Verschmutzungen. Organische Verschmutzung entsteht durch die Adsorption und Ausfällung organischer Stoffe sowie die Ablagerung mikrobieller Sekrete. Anorganische Verschmutzungen bestehen typischerweise aus chemischen Niederschlägen, die durch mehrwertige Kationen wie Metalloxide gebildet werden. Abhängig davon, ob sie durch physikalische Reinigung entfernt werden können, können Schadstoffe in physikalisch reversible oder physikalisch irreversible Verschmutzungen eingeteilt werden. Physikalisch reversible Verschmutzungen können durch einfache physikalische Methoden wie mechanisches Schrubben entfernt werden, da diese Schadstoffe lose an der Oberfläche des Belüfters haften. Physikalisch irreversible Verschmutzungen können nicht durch physikalische Reinigung beseitigt werden und erfordern eine gründlichere chemische Reinigung. Im Rahmen der physikalisch irreversiblen Verschmutzung werden Schadstoffe, die durch chemische Reinigung entfernt werden können, als chemisch reversible Verschmutzungen bezeichnet, während solche, die auch durch chemische Reinigung nicht entfernt werden können, als irreversible Verschmutzungen gelten.
Zu den derzeit im Haushalt verwendeten Feinblasenbelüftern gehören herkömmliche Gummimaterialien wie Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) und neuere Materialien wie Polyethylen hoher Dichte (HDPE). Die Gasverteilungsschicht von HDPE-Belüftern wird durch Beschichten des inneren Luftzufuhrrohrs mit geschmolzenem Polymer mit Porendurchmessern von etwa (4,0 ± 0,5) mm gebildet. HDPE bietet gute chemische, mechanische und schlagfeste Eigenschaften sowie eine lange Lebensdauer. Allerdings sind seine Porengrößen uneinheitlich und ungleichmäßig verteilt, wodurch sie anfällig für Schadstoffablagerungen sind. EPDM-Material ist hochflexibel und weist Poren auf, die durch mechanisches Schneiden entstehen. EPDM-Belüfter haben eine höhere Anzahl an Poren pro Flächeneinheit und erzeugen kleinere Blasen (mindestens 0,5 mm). Die hydrophile Natur der Gummimembran begünstigt zudem die Blasenbildung. Allerdings neigen Mikroorganismen dazu, sich auf EPDM-Oberflächen festzusetzen und zu wachsen, wobei sie Weichmacher als Substrat nutzen. Gleichzeitig führt der Verbrauch von Weichmachern zu einer Verhärtung des Belüftermaterials, was letztendlich zu Ermüdungsschäden und einer verkürzten Lebensdauer führt. Daher ist es notwendig, die Schadstoffansammlungsmuster auf diesen beiden Materialien und die daraus resultierenden Änderungen der Sauerstoffübertragungseffizienz und des Druckverlusts zu untersuchen.
In dieser Studie wurden Feinblasenbelüfter nach jahrelangem Betrieb in zwei kommunalen Kläranlagen mit ähnlichen Prozessbedingungen wie die Forschungsobjekte ausgetauscht. Schadstoffe auf den Belüftern wurden extrahiert und Schicht für Schicht charakterisiert, um ihre Hauptbestandteile zu identifizieren. Auf dieser Grundlage wurde die Wirksamkeit von Reinigungsmethoden bei der Wiederherstellung der Sauerstoffübertragungseffizienz der Belüfter bewertet, mit dem Ziel, grundlegende Daten und technische Referenzen für den langfristig optimierten und stabilen Betrieb feinblasiger Belüftungssysteme bereitzustellen.
1 Materialien und Methoden
1.1 Einführung in die Kläranlagen
Beide Kläranlagen befinden sich in Shanghai und nutzen als Kernbehandlung den anaeroben -anoxischen-oxischen Prozess (AAO). Kläranlage A verwendet eine Wirbelsandkammer + konventionelles AAO + hocheffizienten Faserfilter + UV-Desinfektionsverfahren. Kläranlage B verwendet eine belüftete Sandkammer + konventionelles AAO + hocheffizientes Sedimentationsbecken + UV-Desinfektionsverfahren. Beide Anlagen erfüllen stabil den Grad-A-Standard des „Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants“ (GB 18918-2002). Spezifische Design- und Betriebsparameter sind in dargestelltTabelle 1.
1.2 Extraktion und Charakterisierung von Belüfterschadstoffen
Die in den Experimenten verwendeten Feinblasenbelüfter waren ein rohrförmiger HDPE-Belüfter (Ecopolemer, Ukraine) aus Werk A und ein rohrförmiger EPDM-Belüfter (EDI-FlexAir, USA) aus Werk B. Fotos von beiden sind in zu sehenAbbildung 1. Das alte HDPE-Rohr war 10 Jahre lang in Betrieb und hatte die Abmessungen D×L=120 mm×1000 mm und einen Porendurchmesser von (4 ± 0,50) mm, wodurch feine Blasen von 2 bis 5 mm erzeugt werden konnten. Der alte EPDM-Schlauch mit den Abmessungen D×L=91 mm×1003 mm war 3 Jahre lang in Betrieb und erzeugte feine Blasen von 1,0–1,2 mm mit einem minimalen Blasendurchmesser von 0,5 mm.
Die alten HDPE- und EPDM-Schläuche wurden aus den Aerobic-Tanks entnommen, auf Frischhaltefolie gelegt und mit entionisiertem Wasser gespült. Das mechanische Schrubben wurde mit einer flammensterilisierten Klinge durchgeführt, um an der Belüfteroberfläche anhaftende Schadstoffe abzukratzen.
Um den Einfluss von Fouling auf die Sauerstoffübertragungsleistung weiter zu untersuchen, wurde eine chemische Reinigung des HDPE-Rohrs durchgeführt. Nach der mechanischen Reinigung wurde das HDPE-Rohr 24 Stunden lang in 5 %iger HCl- bzw. 5 %iger NaClO-Lösung eingeweicht. Die alten Rohre, mechanisch gereinigten Rohre und chemisch gereinigten Rohre wurden 60 Stunden lang in einem 60-Grad-Ofen (Modell XMTS-6000) getrocknet. Ihre Oberflächen wurden dann mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM, Modell JSM-7800F, Japan), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX, Oxford Instruments, UK) und konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM, Modell TCS SP8, Deutschland) untersucht. Die HCl-Reinigungslösung wurde durch eine 0,45-μm-Membran filtriert und die quantitative Analyse polyvalenter Kationen (einschließlich Ca-, Mg-, Al-, Fe-Ionen usw.) wurde mithilfe der optischen Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP, Modell ICPS-7510, Japan) durchgeführt. Da HCl und NaClO zu einer Denaturierung und Alterung der EPDM-Membran führen können, wurde auf eine chemische Reinigung des EPDM-Schlauchs verzichtet. Das EPDM-Rohr wurde in 5 cm × 5 cm große Membranstücke geschnitten und zur quantitativen Analyse der polyvalenten Kationen in der Lösung in HCl eingeweicht.
1.3 Prüfvorrichtung und -methode für die Sauerstoffübertragungsleistung des Belüfters
Die Sauerstoffübertragungsleistung der Feinblasenbelüfter wurde gemäß der „Determination of Clean Water Oxygen Transfer Performance of Fine Bubble Aerators“ (CJ/T 475-2015) getestet. Der Testaufbau ist in dargestelltAbbildung 2.
Bei dem Gerät handelt es sich um eine Struktur aus rostfreiem Stahl mit den Maßen 1,2 m × 0,3 m × 1,4 m und Sichtfenstern aus organischem Glas auf beiden Seiten. Der Belüfter wurde in der Mitte des Bodens mit einer Metallhalterung befestigt und hatte eine Eintauchtiefe von 1,0 m. Ein Multiparameter-Wasserqualitätsanalysator (Hach HQ30D, USA) wurde verwendet, um die Konzentration von gelöstem Sauerstoff (DO) in Echtzeit zu überwachen. Als Desoxygenierungsmittel wurde wasserfreies Natriumsulfit und als Katalysator Kobaltchlorid verwendet. Der Manometerwert stellte den dynamischen Nassdruck (DWP, kPa) des Belüfters dar. Die Messergebnisse wurden hinsichtlich Temperatur, Salzgehalt und Sauerstoff korrigiert. Als Bewertungsindex wurde die standardisierte Sauerstofftransfereffizienz (SOTE, %) verwendet.
Der Energieverbrauch des Gebläses hängt sowohl vom Luftzufuhrdurchsatz als auch vom Auslassluftdruck ab, die jeweils vom SOTE bzw. DWP des Belüfters beeinflusst werden. Daher wurde zur Bewertung der Belüfterleistung ein Belüftungsenergieverbrauchsindex J (kPa·h/g) verwendet, der die kombinierte Wirkung von SOTE und DWP darstellt. Er ist definiert als der Druckverlust, den der Belüfter pro übertragener Sauerstoffmasseneinheit überwinden muss. J wird aus der Steigung der linearen Regressionsanpassung zwischen DWP/SOTE und der Luftströmungsrate (AFR) berechnet, wie in der folgenden Gleichung dargestellt:
Wo:
AFRist der Luftdurchsatz, m³/h;
ρLuftist die Luftdichte, angenommen als 1,29 × 10³ g/m³ bei 20 Grad;
yO2ist der Sauerstoffgehalt in der Luft, angenommen als 0,23 g O₂/g Luft.
2 Ergebnisse und Analyse
2.1 Sauerstoffübertragungsleistung neuer, alter und gereinigter Belüfter
Abbildung 3zeigt SOTE und DWP der Belüfter bei verschiedenen Luftdurchsätzen.
Aus Abbildung 3(a) und (b) geht hervor, dass die SOTE-Werte für die neuen HDPE- und neuen EPDM-Rohre (7,36 ± 0,53) % bzw. (9,68 ± 1,84) % betrugen. Das EPDM-Rohr erzeugt kleinere Blasen mit einer größeren spezifischen Oberfläche, was die Gas-Flüssigkeits-Kontaktfläche und Verweilzeit erhöht, was zu einem höheren SOTE führt. Der SOTE beider Belüfter nahm mit zunehmendem AFR ab, da ein höherer AFR die Blasenzahl und die Anfangsgeschwindigkeit erhöht, was zu mehr Blasenkollisionen und der Bildung größerer Blasen führt, was den Sauerstofftransfer von der Gas- in die Flüssigphase behindert. Der SOTE des EPDM-Rohrs zeigte mit steigendem AFR im Vergleich zum HDPE-Rohr einen ausgeprägteren Rückgangstrend. Dies liegt daran, dass die Poren des HDPE-Belüfters starr sind und sich mit dem AFR nicht verändern, während die Poren des EPDM-Belüfters flexibel sind und sich mit zunehmendem AFR weiter öffnen, wodurch größere Blasen entstehen und SOTE weiter reduziert werden.
Nach längerem Betrieb sank der SOTE des HDPE-Rohrs auf (5,39 ± 0,62) %, was einer Reduzierung um 26,7 % entspricht, was hauptsächlich auf die Ansammlung von Schadstoffen zurückzuführen ist, die die Poren verstopfen und die Anzahl der effektiven Poren für die Blasenbildung verringern. Durch mechanisches Schrubben erhöhte sich der SOTE des HDPE-Rohrs auf (5,59 ± 0,66) %, die Rückgewinnung war jedoch nicht signifikant, möglicherweise weil Schadstoffe auf dem HDPE-Rohr nicht nur an der Oberfläche hafteten, sondern sich auch in den Poren ablagerten, was es schwierig machte, sie durch mechanisches Schrubben zu entfernen. Jiang et al. fanden heraus, dass NaClO Schadstoffe effektiv aus HDPE-Rohren entfernen und deren Belüftungsleistung wiederherstellen kann. Nach der NaClO-Reinigung erholte sich der SOTE des HDPE-Rohrs auf (6,14 ± 0,63) %, was 83,4 % des Niveaus des neuen Rohrs entspricht, und konnte sich immer noch nicht vollständig erholen. Dies liegt daran, dass sich Schadstoffe bei längerem Betrieb fest anlagern, die Porenstruktur verändern, den Luftstrom behindern, die Blasenkoaleszenz erhöhen, die spezifische Oberfläche und Verweilzeit der Blasen verringern und somit den Sauerstofftransfer behindern. Gleichzeitig führt die Verschmutzung zu einer ungleichmäßigen Luftverteilung, was zu einer Verschlechterung der Gesamtleistung führt.
Der SOTE des alten EPDM-Schlauchs sank auf (9,06 ± 1,75) %, was einer Reduzierung um 6,4 % entspricht. Neben der Verstopfung der Poren durch die Ansammlung von Schadstoffen verbraucht die biologische Verschmutzung Weichmacher im Material, wodurch der Belüfter verhärtet und die Poren deformiert werden. Die verformten Poren können nicht in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, wodurch größere Blasen entstehen und der SOTE sinkt. Durch mechanisches Schrubben erhöhte sich der SOTE des EPDM-Rohrs auf (9,47 ± 1,87) % und erreichte damit nahezu das Niveau des neuen Rohrs, was darauf hindeutet, dass Schadstoffe auf dem EPDM-Rohr lose an der Oberfläche hafteten und größtenteils durch mechanisches Schrubben entfernt werden konnten.
Aus den Abbildungen 3(c) und (d) geht hervor, dass der DWP des neuen EPDM-Schlauchs (6,47 ± 0,66) kPa betrug und damit deutlich höher war als der des neuen HDPE-Schlauchs [(1,47 ± 0,49) kPa]. Dies liegt daran, dass der Porendurchmesser des EPDM-Schlauchs kleiner ist als der des HDPE-Schlauchs, was zu einem größeren Widerstand beim Durchdrücken von Blasen führt. Nach längerem Betrieb stieg der DWP des alten HDPE-Rohrs auf (4,36 ± 0,56) kPa, das 2,97-fache des DWP des neuen Rohrs. Der Anstieg des DWP hängt sowohl mit dem Grad der Porenverstopfung als auch mit Materialveränderungen zusammen. Durch mechanische Reinigung wurde der DWP des HDPE-Schlauchs auf das 2,25-fache des neuen Schlauchs reduziert. Die Reinigung mit NaClO reduzierte ihn weiter auf (2,04 ± 0,45) kPa, das 1,39-fache des Werts des neuen Röhrchens. Dies weist wiederum darauf hin, dass die meisten Schadstoffe auf dem HDPE-Rohr in den Poren abgelagert wurden und durch mechanisches Schrubben nicht effektiv entfernt werden konnten, sodass eine Reinigung mit NaClO erforderlich war, um die Leistung wiederherzustellen. Der DWP des alten EPDM-Schlauchs stieg auf (8,10 ± 0,94) kPa, das 1,25-fache des Werts des neuen Schlauchs, und sank nach mechanischer Reinigung auf das 1,10-fache.
Abbildung 4zeigt die Änderung von DWP/SOTE (bezeichnet als DWP') mit AFR für die Belüfter.
Eine lineare Regressionsgleichung wurde verwendet, um DWP' an AFR anzupassen, und der Energieverbrauchsparameter J wurde aus der Steigung ermittelt. Die J-Werte für die neuen HDPE- und neuen EPDM-Rohre betrugen 0,064 bzw. 0,204 kPa·h/g, was darauf hinweist, dass das EPDM-Rohr pro übertragener Masseneinheit an Sauerstoff einen größeren Druckverlust überwinden muss. Zum Zeitpunkt des Austauschs stiegen die J-Werte für die HDPE- und EPDM-Röhren auf 0,251 bzw. 0,274 kPa·h/g. Eine Verschmutzung des Belüfters, die zu einem erhöhten Druckverlust führt, kann den sicheren Betrieb des Gebläses beeinträchtigen. Nach der mechanischen Reinigung sanken die J-Werte für die HDPE- und EPDM-Rohre auf 0,184 bzw. 0,237 kPa·h/g. Änderungen in J können zur quantitativen Analyse von Belüfterschadstoffen verwendet werden. Der Unterschied in J zwischen dem alten Rohr und dem mechanisch gereinigten Rohr wird durch physikalisch reversible Verschmutzung verursacht. Der Unterschied zwischen dem mechanisch gereinigten Rohr und dem neuen Rohr wird durch physikalisch irreversible Verschmutzung verursacht. Der Unterschied zwischen dem mechanisch gereinigten Rohr und dem chemisch gereinigten Rohr wird durch chemisch reversible Verschmutzung verursacht, während der Unterschied zwischen dem chemisch gereinigten Rohr und dem neuen Rohr durch nicht behebbare Verschmutzung verursacht wird. Abbildung 5 zeigt die Veränderungen des Energieverbrauchsparameters J für die Belüfter.
AusAbbildung 5Beim HDPE-Rohr machten physikalisch reversible und physikalisch irreversible Verschmutzungen 35,8 % bzw. 64,2 % der Gesamtverschmutzung aus. Innerhalb der physikalisch irreversiblen Verschmutzung machten chemisch reversible und irreversible Verschmutzungen 42,8 % bzw. 21,4 % aus. Beim EPDM-Rohr waren physikalisch reversible und physikalisch irreversible Verschmutzungen für 52,9 % bzw. 47,1 % verantwortlich. Unheilbare Verschmutzungen treten zunächst nicht auf, sondern häufen sich mit der Zeit an und bestimmen letztendlich die Lebensdauer des Belüfters. Daher sollten angemessene Reinigungspläne erstellt werden, um den Übergang von reversibler zu irreversibler Verschmutzung zu verlangsamen und die Ansammlung irreparabler Verschmutzung zu minimieren.
2.2 REM-Beobachtung von neuen, alten und gereinigten Belüftern
Abbildung 6zeigt REM-Aufnahmen der Oberflächen neuer, alter und mechanisch gereinigter Belüfter. Die poröse Struktur des neuen HDPE-Schlauchs ist deutlich sichtbar, während die Oberfläche des neuen EPDM-Schlauchs glatt mit sauber geschnittenen Poren ist. Nach mehreren Betriebsjahren veränderte sich die Oberflächenmorphologie beider Belüfter deutlich. Unebene, stäbchenförmige und blockartige Schadstoffe bedeckten die Oberfläche vollständig, wobei sich Schadstoffaggregate um und in den Poren bildeten, was den Sauerstofftransfer behinderte und den Druckverlust erhöhte. Nach der mechanischen Reinigung wurden die meisten Schadstoffe auf der EPDM-Rohroberfläche entfernt, die Poren blieben jedoch verstopft. Beim HDPE-Rohr nahm die Dicke der Schadstoffschicht ab, die Poren waren jedoch weiterhin bedeckt.
2.3 Anorganische Verschmutzungsanalyse von neuen, alten und gereinigten Belüftern
EDX wurde verwendet, um die Hauptelementzusammensetzung der Belüfteroberflächen weiter zu analysieren. Die Ergebnisse sind in dargestelltTabelle 2. Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen, Silizium und Kalzium wurden sowohl auf HDPE- als auch auf EPDM-Oberflächen nachgewiesen. Das HDPE-Rohr enthielt außerdem Magnesium, während das EPDM-Rohr Aluminium enthielt. Es wird gefolgert, dass es sich bei den anorganischen Schadstoffen auf dem HDPE-Rohr um Siliziumdioxid, Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat und Eisenphosphat handelte, während es sich bei den anorganischen Schadstoffen auf dem EPDM-Rohr um Siliziumdioxid und Aluminiumoxid handelte. Diese anorganischen Niederschläge bildeten sich, als die Konzentrationen anorganischer Ionen aus kommunalem Abwasser und Belebtschlamm auf der Belüfteroberfläche die Sättigung erreichten. Nach der mechanischen Reinigung zeigten die anorganischen Elemente auf den Belüfteroberflächen kaum Unterschiede zu den alten Rohren, was darauf hindeutet, dass die mechanische Reinigung anorganische Schadstoffe nicht effektiv entfernen kann. Kim et al. fanden heraus, dass anorganische Schadstoffe nach längerem Betrieb von organischen Schadstoffen bedeckt werden und fest an der Oberfläche und in den Poren haften, was es schwierig macht, sie durch mechanisches Schrubben zu entfernen.
Nach der HCl-Reinigung wurden die Metallionen auf den Belüfteroberflächen vollständig entfernt. HCl korrodierte einen Teil der organischen Schicht, die die Oberfläche bedeckte, drang in sie ein und reagierte mit Metallionen, wobei anorganische Niederschläge durch Neutralisation und Zersetzung entfernt wurden. Die zum Einweichen der Belüfter verwendete HCl-Reinigungslösung wurde mittels ICP analysiert, um den Gehalt an anorganischen Schadstoffen zu berechnen. Die Ca-, Mg- und Fe-Gehalte für das HDPE-Rohr betrugen 18,00, 1,62 bzw. 13,90 mg/cm², während für das EPDM-Rohr die Ca-, Al- und Fe-Gehalte 9,55, 1,61 bzw. 3,38 mg/cm² betrugen.
2.4 Analyse organischer Verschmutzungen an neuen, alten und gereinigten Belüftern
Um die Verteilung organischer Schadstoffe quantitativ zu untersuchen, wurde die Image J-Software verwendet, um das Biovolumen und das Substratbedeckungsverhältnis der gesamten Zellen, Polysaccharide und Proteine aus CLSM-Mikroaufnahmen zu berechnen, wobei Durchschnittswerte als Endergebnisse herangezogen wurden (Abbildung 7).
Aus Abbildung 7(a) geht hervor, dass Proteine und Gesamtzellen die Hauptbestandteile der organischen Schadstoffe auf den HDPE- bzw. EPDM-Rohren waren, wobei die maximalen Gesamtvolumina 7,66×10⁵ und 7,02×10⁵ μm³ erreichten. Das Gesamtzellvolumen auf dem EPDM-Röhrchen betrug das 2,5-fache des HDPE-Röhrchens, was mit den Erkenntnissen von Garrido-Baserba et al. übereinstimmt, die über eine höhere Gesamt-DNA-Konzentration auf alten EPDM-Belüftern im Vergleich zu anderen Materialien berichteten. Wanger et al. fanden heraus, dass Mikroorganismen, die sich an EPDM-Röhren anlagern und in der Umgebung nicht genügend organisches Substrat vorhanden ist, auf die Verwendung von EPDM-Membran-Weichmachern zurückgreifen. Mikroorganismen können Weichmacher als Kohlenstoffquelle nutzen, wodurch Wachstum und Vermehrung beschleunigt werden und dadurch der biologische Bewuchs auf der EPDM-Oberfläche verstärkt wird. Die Polysaccharid- und Proteingehalte im EPDM-Rohr waren viel niedriger als die im HDPE-Röhrchen, was möglicherweise auf das höhere Schlammalter in Anlage B im Vergleich zu Anlage A zurückzuführen ist, was zu einer geringeren Konzentration extrazellulärer Polymersubstanz (EPS) führte. Als Hauptbestandteile von EPS wurden von Mikroorganismen abgesonderte Proteine und Polysaccharide zu bedeutenden Quellen organischer Schadstoffe auf der HDPE-Röhrenoberfläche in Anlage A.
Nach der mechanischen Reinigung verringerten sich die Mengen an Gesamtzellen, Polysacchariden und Proteinen auf dem HDPE-Röhrchen um 1,49×10⁵, 0,13×10⁵ bzw. 1,33×10⁵ μm³. Beim EPDM-Rohr betrugen die entsprechenden Abnahmen 2,20×10⁵, 1,88×10⁵ bzw. 2,38×10⁵ μm³. Dies weist darauf hin, dass durch mechanisches Schrubben organische Verschmutzungen bis zu einem gewissen Grad reduziert werden können.
Beim HDPE-Rohr erhöhte sich jedoch die Substratbedeckungsfläche mit Polysacchariden und Proteinen nach mechanischer Reinigung-von 2,75 % bzw. 6,28 % auf 4,67 % bzw. 7,09 % [Abbildung 7(b)]. Dies geschah, weil die extrazellulären Polymersubstanzen (EPS) eine hohe Viskosität besitzen. Folglich hatte das mechanische Schrubben den kontraproduktiven Effekt, dass Proteine, Polysaccharide und anorganische Schadstoffe weiter über die Oberfläche des HDPE-Rohrs verteilt wurden, was zu einer größeren Flächenabdeckung führte. Dies erklärt wahrscheinlich, warum die mechanische Reinigung die Belüftungseffizienz des HDPE-Rohrs nicht wesentlich wiederherstellen konnte.
Nach der NaClO-Reinigung nahmen die Gesamtzellen, Polysaccharide und Proteine auf dem HDPE-Röhrchen um 2,34×10⁵, 3,42×10⁵ bzw. 4,53×10⁵ μm³ ab, was eine deutlich höhere Entfernungseffizienz als durch mechanisches Schrubben zeigt. NaClO oxidiert funktionelle Gruppen organischer Schadstoffe zu Ketonen, Aldehyden und Carbonsäuren, wodurch die Hydrophilie der Ausgangsverbindungen erhöht und die Schadstoffadhäsion am Belüfter verringert wird. Darüber hinaus können Schlammflocken und Kolloide durch Oxidationsmittel in feine Partikel und gelöste organische Stoffe zersetzt werden.
3 Schlussfolgerungen
①Die SOTE-Werte für die neuen HDPE- und neuen EPDM-Rohre betrugen (7,36 ± 0,53) % bzw. (9,68 ± 1,84) %. Der SOTE des EPDM-Rohrs zeigte mit steigendem AFR im Vergleich zum HDPE-Rohr einen ausgeprägteren Rückgangstrend. Dies liegt daran, dass die Poren des HDPE-Belüfters starr sind und sich mit dem AFR nicht verändern, während die Poren des EPDM-Belüfters flexibel sind und sich mit zunehmendem AFR weiter öffnen, wodurch größere Blasen entstehen und SOTE weiter reduziert werden.
②Aufgrund der Schadstoffansammlung an der Oberfläche und in den Poren verringerte sich die Sauerstoffübertragungseffizienz des HDPE-Schlauchs um 26,7 %, und sein Druckverlust stieg auf das 2,97-fache des Druckverlusts des neuen Schlauchs. Da sich die meisten Schadstoffe auf dem HDPE-Schlauch in den Poren ablagerten, war eine mechanische Reinigung nicht wirksam. Nach der chemischen Reinigung erholte sich der SOTE des HDPE-Rohrs auf 83,4 % des Niveaus des neuen Rohrs, und der DWP sank auf das 1,39-fache des Wertes des neuen Rohrs, was eine deutliche Leistungsverbesserung zeigt. Aufgrund von Schadstoffablagerungen konnte der ursprüngliche Zustand jedoch nicht vollständig wiederhergestellt werden. Beim HDPE-Rohr waren physikalisch reversible, chemisch reversible und nicht behebbare Verschmutzungen für 35,8 %, 42,8 % bzw. 21,4 % verantwortlich.
③Nach längerem Betrieb verringerte sich die Sauerstoffübertragungseffizienz des EPDM-Rohrs um 6,4 %, und sein Druckverlust stieg auf das 1,25-fache des Druckverlusts des neuen Rohrs. Nach der mechanischen Reinigung erreichte die Belüftungsleistung des EPDM-Rohrs fast wieder das Niveau des neuen Rohrs, was darauf hindeutet, dass die Schadstoffe auf dem EPDM-Rohr lose an der Oberfläche hafteten und durch mechanische Reinigung weitgehend entfernt werden konnten. Beim EPDM-Rohr waren physikalisch reversible und physikalisch irreversible Verschmutzungen für 52,9 % bzw. 47,1 % verantwortlich.
④Proteine waren der Hauptbestandteil der organischen Schadstoffe auf dem HDPE-Rohr, während Gesamtzellen der Hauptbestandteil auf dem EPDM-Rohr waren. Dies liegt daran, dass Mikroorganismen Weichmacher im EPDM-Material als Kohlenstoffquelle nutzen, wodurch ihr Wachstum und ihre Vermehrung beschleunigt werden und dadurch die biologische Verschmutzung auf Belüftern aus EPDM-Material verstärkt wird.