Schadstoffentfernungsleistung eines S-MBBR-Systems für die Abwasserbehandlung mit niedrigem C/N-Verhältnis: CSB-, TN-, NH₄⁺-N- und TP-Analyse

Analyse der Schadstoffentfernungsleistung in einem S-MBBR-System zur Abwasserbehandlung mit niedrigem C/N-Verhältnis

Einführung

Mit der Beschleunigung der Urbanisierung und Industrialisierung nimmt die Einleitung von Abwasser mit niedrigem C/N-Verhältnis (niedrigem Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis) zu, das hauptsächlich aus häuslichem Abwasser, der Lebensmittelverarbeitung, der Landwirtschaft und zirkulierendem Kühlwasser stammt. Um die schlechte Gesamteffizienz der Stickstoffentfernung (TN) in Abwässern mit niedrigem C/N-Verhältnis zu beheben, haben in den letzten Jahren die Abkürzung von Nitrifikation und Denitrifikation sowie die gleichzeitige Nitrifikation und Denitrifikation (SND) an Bedeutung gewonnen. Relativ gesehen sind die Reaktionsbedingungen des SND-Prozesses einfacher zu kontrollieren und es kann gleichzeitig sowohl eine Kohlenstoffentfernung als auch eine Stickstoffentfernung erreicht werden. Daher bietet es einen erheblichen Vorteil bei der Stickstoffentfernungsbehandlung für Abwasser mit niedrigem C/N-Verhältnis. Der Sequenzierungs-Batch-Reaktor (SBR) erleichtert die Entfernung von Stickstoff und Phosphor durch die Kontrolle der Konzentration des gelösten Sauerstoffs. In Verbindung mit dem Bewegtbett-Biofilmreaktor (MBBR) zur Bildung eines S-MBBR-Systems bietet der Biofilm auf den Trägern geschichtete Wachstumsbedingungen für aerobe nitrifizierende Bakterien und anoxische denitrifizierende Bakterien, wodurch eine SND-Mikroumgebung entsteht und gleichzeitig die spezifische Oberfläche und mikrobielle Stabilität des Systems erhöht wird. Studien haben gezeigt, dass S-MBBR herkömmlichen Verfahren hinsichtlich der Effizienz der Stickstoff- und Phosphorentfernung, der Schockfestigkeit und der Systemstabilität überlegen ist.

1 Materialien und Methoden

1.1 Versuchsaufbau.Der Versuchsaufbau bestand im Wesentlichen aus einem Zulauftank, einem Luftgebläse, einer Rührvorrichtung, einem Ablauftank und dem Hauptreaktor. Das effektive Volumen des Reaktors betrug 1,8 l und die Behandlungskapazität pro Zyklus betrug 1 l. Der Reaktor war mit einem neuartigen bioaffinen Träger mit einem Füllgrad von etwa 25 % gefüllt. Die anfängliche Konzentration an flüchtigen suspendierten Feststoffen der gemischten Flüssigkeit (MLVSS) im Reaktor betrug 3000 mg/l.

1.2 Experimentelle Materialien.Der affinitätsmodifizierte Trägerfüllstoff wurde durch physikalisches Mischen und Schneckenextrusionstechnologie hergestellt. Das konkrete Verfahren war wie folgt: 3 % nullwertiges Eisen, HDPE und Hilfsstoffe (2 % natürlicher Zeolith, 2 % Polyquaternium-10 und 1 % Talkum) wurden gleichmäßig vermischt. Anschließend wurde die Mischung mit einem SJ-20-Einschneckenextruder geschmolzen und in körnige Streifen (ca. 5 mm Durchmesser, 5–10 mm Länge) extrudiert. Schließlich wurden diese festen Partikel mit einem SJ-30-Einschneckenextruder extrudiert, um den endgültigen Träger herzustellen.

1.3 Betriebsbedingungen.Es wurden zwei Reaktoren aufgebaut: einer mit Trägern (S-MBBR, bezeichnet als R1) und einer ohne Träger (SBR, bezeichnet als R2). Alle anderen Bedingungen wurden beibehalten. Die erste Stufe war der Start der Biofilmanlagerung, der im SBR-Modus mit einem Verhältnis von 3:3:2 durchgeführt wurde. Der Betriebszyklus umfasste Zufluss-, Statik-, Belüftungsreaktions-, anoxische Rühr-, Absetz- und Abflussphasen (3 Stunden anaerob, 3 Stunden Belüftung, 2 Stunden Rühren/Absetzen/Zufluss/Abfluss). NaHCO₃ wurde verwendet, um den pH-Wert des Zulaufs auf etwa 8 einzustellen. Nach erfolgreicher Anlagerung des Biofilms wurde die Ammoniakstickstoffkonzentration geändert, um das C/N-Verhältnis zu verringern, und das Experiment begann, wie in beschriebenTabelle 1.

1.4 Versuchswasser und beimpfter Schlamm.Der CSB, NH₄⁺-N und Gesamtphosphor (TP) im synthetischen Abwasser, das für die Biofilm-Initiierung verwendet wurde, wurden durch C₆H₁₂O₆, NH₄Cl bzw. KH₂PO₄ bereitgestellt. Spurenelemente bestanden aus EDTA-2Na (18,76 g/L), CoCl₂·6H₂O (0,3 g/L), CuSO₄·5H₂O (0,32 g/L), NiCl₂·6H₂O (0,24 g/L), H₃BO₄ (0,018 g/L), ZnSO₄·7H₂O (0,54 g/L), MnCl₂·4H₂O (1,24 g/L), NaMoO₄·2H₂O (0,28 g/L) und NaWO₄·2H₂O (0,1 g/L). Die Zusammensetzung des synthetischen Abwassers war: C₆H₁₂O₆ (0,47 g/L), NH₄Cl (0,095 g/L), KH₂PO₄ (0,022 g/L), NaCl (0,1 g/L), NaHCO₃ (0,15 g/L), MgSO₄·7H₂O (0,15 g/L), CaCl₂ (0,05 g/L), FeSO₄·7H₂O (0,02 g/L) und Spurenelemente (1 ml/L). Der Schlamm wurde aus dem Nachklärbecken einer Kläranlage in Dalian entnommen.

1.5 Analysemethoden.Routineindikatoren wurden gemäß den Standardmethoden gemessen, die in den „Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater“ (4. Auflage) und nationalen Standards festgelegt sind, einschließlich der Analyse der Schadstoffentfernungskapazität, der Membranverschmutzungsanalyse und der Gasproduktionsanalyse. Im Einzelnen: NH₄⁺-N wurde mit der spektrophotometrischen Methode des Salicylsäurereagens gemessen; TP mittels der spektrophotometrischen Ammoniummolybdat-Methode; NO₃⁻-N durch das spektrophotometrische Verfahren mit Salicylsäure und konzentriertem Schwefelsäurereagenz; NO₂⁻-N durch das spektrophotometrische N-(1-Naphthyl)ethylendiamin-Verfahren; TN war die Summe der Konzentrationen aller Stickstoffformen; Der CSB wurde mit der Schnellverdauungsmethode gemessen; und die Schlammkonzentration (einschließlich MLSS und MLVSS) wurde mit der gravimetrischen Methode gemessen.

2 Ergebnisse und Analyse

2.1 Leistung der CSB-Entfernung

In den Reaktor eintretende organische Stoffe wurden über Stufen wie anaerobes, aerobes (Belüftung), anoxisches Rühren, Absetzen und Abfluss entfernt.Abbildung 1zeigt die CSB-Entfernungsleistung der Reaktoren in verschiedenen Betriebsstadien. Stufe I war die Stufe der Biofilmanlagerung, und die Stufen II, III und IV waren die Stufen, in denen das C/N/P-Verhältnis auf 100:8:1, 64:8:1 bzw. 32:6:1 reduziert wurde. Die durchschnittlichen Entfernungsraten für R1 in jeder Stufe betrugen 95,57 %, 96,25 %, 92,70 % bzw. 94,18 %; Die durchschnittlichen Entfernungsraten für R2 in jeder Stufe betrugen 94,71 %, 96,19 %, 92,54 % bzw. 94,68 %. Es ist ersichtlich, dass dieses Verfahren eine gute Leistung bei der Entfernung organischer Stoffe aufweist und unter relativ stabilen Abwasserbedingungen die Anforderungen der Norm GB 18918-2002 erfüllt (CSB-Konzentration < 50 mg/L). Da das System mit einem niedrigen C/N-Verhältnis betrieben wurde, wurde die Kohlenstoffquelle zum limitierenden Substrat für einen effizienten Stoffwechsel. Es gab keinen signifikanten Unterschied in der CSB-Entfernung zwischen R1 und R2, was zeigt, dass der modifizierte Träger nur einen geringen Einfluss auf die CSB-Entfernung hatte.

2.2 NH₄⁺-N- und TN-Entfernungsleistung

Der TN-Entfernungsprozess umfasst zwei Hauptschritte: Nitrifikation und Denitrifikation. Als aerober Prozess ist die Nitrifikation auf ausreichend aerobe Mikroorganismen angewiesen, um Ammoniakstickstoff in Nitrat umzuwandeln.Abbildungen 2 und 3zeigen die NH₄⁺-N- bzw. TN-Entfernungsleistung der Reaktoren. NH₄⁺-N und TN wurden hauptsächlich während der aeroben Belüftung und der anoxischen statischen Phase entfernt. Stufe I war die Stufe der Biofilmanlagerung, und die Stufen II, III und IV waren die Stufen, in denen das C/N/P-Verhältnis auf 100:8:1, 64:8:1 bzw. 32:6:1 reduziert wurde. Die durchschnittlichen NH₄⁺-N-Entfernungsraten für R1 betrugen 92,53 %, 95,83 %, 99,70 % bzw. 98,31 %; die durchschnittlichen NH₄⁺-N-Entfernungsraten für R2 betrugen 84,34 %, 91,82 %, 99,70 % bzw. 97,52 %. Die durchschnittlichen TN-Entfernungsraten für R1 betrugen 89,53 %, 87,21 %, 82,44 % bzw. 83,20 %; Die durchschnittlichen TN-Entfernungsraten für R2 betrugen 78,3 %, 78,89 %, 73,26 % bzw. 76,66 %. Im Vergleich zu R2 stiegen die durchschnittlichen NH₄⁺-N-Entfernungsraten für R1 um 9,7 %, 4,36 %, 0 % bzw. 0,82 %; Die durchschnittlichen TN-Entfernungsraten stiegen um 14,35 %, 10,55 %, 12,54 % bzw. 8,3 %. Es ist ersichtlich, dass das R1-System in allen Phasen, insbesondere in den frühen Phasen des Systembetriebs, R2 bei der Stickstoffentfernung übertraf, wobei sich der Unterschied in späteren Phasen allmählich stabilisierte.

Während der Stufe I war die NH₄⁺-N-Konzentration im Zufluss niedrig und die Kohlenstoffquelle reichte relativ aus, um im Wesentlichen die Denitrifizierungsanforderungen zu erfüllen, so dass die TN-Konzentration im Abfluss niedrig war. Die inokulierten Mikroorganismen befanden sich noch im Anpassungsstadium und die funktionelle mikrobielle Gemeinschaft innerhalb des Systems war noch nicht vollständig etabliert, was zu einer instabilen NH₄⁺-N-Entfernung führte, die sich jedoch später allmählich stabilisierte. In dieser Phase wurde kein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Reaktoren (R1 und R2) beobachtet. Zu Beginn der Stufe II stieg die NH₄⁺-N-Konzentration im Zufluss plötzlich an, aber die Belüftungsbedingungen wurden nicht gleichzeitig angepasst, was zu erheblichen Schwankungen im System führte, insbesondere bei der Entfernung von NH₄⁺-N und TN. Nach etwa sechs Betriebstagen stellten die beiden Reaktoren allmählich ihre Stabilität wieder her. Es wird vermutet, dass die hohe Ammoniak-Stickstoffbelastung die schnelle Vermehrung nitrifizierender Bakterien förderte und dadurch die Effizienz des Nitrifikationsprozesses verbesserte. Mit fortschreitendem Systembetrieb etablierte und stabilisierte sich das Nitrifikations-Denitrifikationssystem innerhalb der Reaktoren allmählich, und die Fluktuation der TN-Konzentration nahm ab. Aufgrund des Vorhandenseins des modifizierten Trägers erreichte das R1-System eine geringere Rest-TN, wobei der Träger die TN-Entfernungsrate des Reaktors verbesserte und auch die Anpassungsfähigkeit des Systems an Stoßbelastungen verbesserte. Um die PO₄-Entfernung zu verbessern, wurde am 49. Tag die Belüftungsintensität erhöht, was einen vollständigeren Nitrifikationsprozess förderte. Allerdings führte der Anstieg des durch die Nitrifikation erzeugten Nitrats zu einem höheren Bedarf an Kohlenstoffquellen für die Denitrifikation, während die zufließende Kohlenstoffquelle zu diesem Zeitpunkt relativ unzureichend war, was zu einem gewissen Anstieg des TN im Abwasser führte. In Stufe III wurde der CSB weiter reduziert, wodurch die für die Denitrifizierung im Reaktor verfügbare Kohlenstoffquelle noch knapper wurde, die TN-Entfernung weiter eingeschränkt wurde und die Gesamtkonzentration an TN im Abwasser anstieg. Dennoch behielt das R1-System immer noch eine bessere TN-Entfernungsleistung als R2 bei, was die verstärkende Wirkung des Trägers demonstriert. In Stufe IV wurde die Ammoniak-Stickstoff-Konzentration weiter erhöht. Basierend auf den Erfahrungen aus der vorherigen Stufe wurde die Belüftung leicht erhöht und die Belüftungszeit auf 4 Stunden verlängert, was die Aktivität der nitrifizierenden Bakterien förderte, den Nitrifikationsprozess vollständiger machte und die Effizienz der NH₄⁺-N-Entfernung weiter verbesserte. Angesichts der Herausforderung des Mangels an Kohlenstoffquellen war der Denitrifikationsprozess jedoch begrenzt und die TN-Konzentration stieg im späteren Stadium leicht an. Insgesamt war der R1-Reaktor R2 immer noch überlegen und zeigte eine stärkere TN-Entfernungskapazität, was darauf hindeutet, dass nach Langzeitbetrieb die stabile Biofilmstruktur und die synergistische aerob-anoxische Umgebung, die sich in R1 bildete, guten Raum und gute Bedingungen für den gleichzeitigen Nitrifikations- und Denitrifikationsprozess (SND) boten. Zhang Kefang et al. verwendeten einen SBR-Prozess zur Behandlung von Abwasser mit niedrigem C/N-Verhältnis und erreichten die Oxidation, Nitrifikation und Denitrifikation organischer Stoffe in einem einzigen Reaktor mit einer TN-Entfernungsrate von über 80 %. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass eine einstufige biologische Denitrifikation durchaus machbar ist.

2.3 TP-Entfernungsleistung

Bei der Abwasseraufbereitung beruht die Phosphorentfernung hauptsächlich auf spezifischen Mikroorganismen, wie z. B. phosphorakkumulierenden Organismen (PAOs), die unter aeroben Bedingungen löslichen Phosphor absorbieren und unter anaeroben Bedingungen Phosphor freisetzen.Abbildung 4zeigt die TP-Entfernungsleistung der Reaktoren. TP wurde während der aeroben Belüftungsphase entfernt. Die TP-Konzentration in den Stufen I, II und III blieb unverändert, mit einer durchschnittlichen Zulaufkonzentration von 5,01 mg/L. Im Stadium IV betrug die durchschnittliche TP-Konzentration im Zulauf 10,30 mg/L. Die durchschnittlichen Abwasserkonzentrationen für R1 in jeder Stufe betrugen 0,27 mg/L, 0,16 mg/L, 0,13 mg/L bzw. 1,92 mg/L, mit durchschnittlichen Entfernungsraten von 94,73 %, 96,78 %, 97,54 % bzw. 81,35 %. Die durchschnittlichen Abwasserkonzentrationen für R2 betrugen 0,39 mg/L, 0,35 mg/L, 0,33 mg/L bzw. 0,33 mg/L, mit durchschnittlichen Entfernungsraten von 92,19 %, 93,01 %, 93,61 % bzw. 68,79 %. Im Vergleich zu R2 stiegen die durchschnittlichen TP-Entfernungsraten für R1 in jeder Stufe um 2,75 %, 4,05 %, 4,20 % bzw. 18,26 %.

Im R1-System stellt der Träger eine Oberfläche für die mikrobielle Anlagerung bereit, fördert das Wachstum und den Metabolismus von PAOs, hilft bei der Bildung eines stabilen Biofilms, erhöht die Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft, verbessert dadurch die Phosphorentfernungskapazität des Reaktors und macht den biologischen Phosphorentfernungsprozess effizienter. In Stufe II stieg der Sauerstoffverbrauch des Systems durch Änderung der NH₄⁺-N-Konzentration zur Förderung der Nitrifikation. Daher wurde am 49. Tag die Belüftung erhöht, um die Phosphorentfernung zu beschleunigen. Im Stadium III führte die Reduzierung des CSB zu einem Mangel an Kohlenstoffquellen, der nicht nur den Denitrifikationsprozess behinderte, sondern auch die Stoffwechselaktivität der PAOs beeinträchtigte. In Stufe IV brach das System zusammen, weil das C/N-Verhältnis im Reaktor von 8 auf 5,3 sank. Der verschärfte Wettbewerb um Kohlenstoffquellen reduzierte die verfügbare Kohlenstoffquelle für PAOs im anaeroben Stadium, was zu einer Verringerung der PHA-Synthese führte, was wiederum die Polyphosphathydrolyse und PHA-Oxidation unter aeroben Bedingungen beeinträchtigte, letztendlich das PAO-Wachstum und die Phosphoraufnahmekapazität behinderte und zu einer verringerten Phosphorentfernungseffizienz führte. Der Restphosphorgehalt in R1 war jedoch immer noch niedriger als der in R2, was darauf hindeutet, dass die fördernde Wirkung des Trägers immer noch vorhanden war.

3 Fazit

Es wurde ein Vergleichsexperiment zwischen dem konstruierten S-MBBR-System und dem SBR-System durchgeführt, um deren Stickstoff- und Phosphorentfernungsleistung unter Abwasserbedingungen mit niedrigem C/N-Verhältnis systematisch zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass das S-MBBR-System das herkömmliche SBR-System bei der Entfernung von CSB, NH₄⁺-N, TN und TP übertraf. Insbesondere unter Bedingungen mit Mangel an Kohlenstoffquellen erreichten die maximalen Steigerungen der Entfernungsraten für TN und NH₄⁺-N 14,35 % bzw. 8,19 %. Darüber hinaus zeigte das S-MBBR-System in verschiedenen Betriebsstadien eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Laststößen und eine hohe Abwasserstabilität. Die Einführung suspendierter Träger optimierte effektiv die Mikroumgebungsstruktur des Systems, förderte das Auftreten einer gleichzeitigen Nitrifikation und Denitrifikation (SND), steigerte die mikrobielle Vielfalt und Stoffwechselaktivität und verbesserte die Gesamtbehandlungskapazität des Systems. Die Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die S-MBBR-Technologie gute Anwendungsaussichten für die Abwasserbehandlung mit niedrigem C/N-Verhältnis hat und technische Unterstützung für die Optimierung und Modernisierung bestehender Abwasserbehandlungsprozesse bieten kann.