تصفیه میکروبی پیشرفته فاضلاب سیر با استفاده از فرآیند MBBR + A/O
نمای کلی
فاضلاب سیردر درجه اول از فرآیندهای برش و آبکشی در طی فرآوری سیر نشات می گیرد. مشخص می شودغلظت بالای مواد آلی, sسطوح قابل توجهی از نیتروژن و فسفر و حاوی مقادیر قابل توجهی آلیسین. آلیسین (دی آلیل تیوسولفینات) مایع فراری است که مسئول بوی تند سیر است و از نظر شیمیایی ناپایدار و بسیار واکنش پذیر است. آلیسین می تواند از رشد میکروارگانیسم های مختلف جلوگیری کند. تخلیه فاضلاب سیر با غلظت بالا بدون تصفیه، اثرات زیست محیطی جدی دارد. برخی از محققان از روشهایی مانند فیلتراسیون غشایی، اکسیداسیون فنتون و میکروالکترولیز استفاده کردهاند، اما این روشها برای تصفیه فاضلاب سیر مؤثر نبودهاند و استفاده از دوزهای زیاد مواد شیمیایی هزینههای تصفیه بعدی را افزایش میدهد. بسیاری از محققان روش های تصفیه بیولوژیکی را با استفاده از فرآیندهای ترکیبی بی هوازی- پیشنهاد کرده اند. با این حال، به دلیل خواص ضد باکتریایی آلیسین، کشت میکروارگانیسم ها دشوار است و کارایی درمان ایده آل نیست. بنابراین، تمرکز درمان بیولوژیکی بهکشت و سازگاری با سویه های میکروبی که قادر به سازگاری با فاضلاب سیر و افزایش تجزیه زیستی آنها هستند..
این مطالعه شامل کشت و غربالگری بودسویه های باکتریایی موثر در تخریب فاضلاب سیر، که سپس به الف معرفی شدندراکتور بیوفیلم بستر متحرک (MBBR). با استفاده از لجن تلقیح شده و روش تشکیل بیوفیلم با افزایش سرعت جریان، بیوفیلم هایی برای افزایش حذف نیتروژن و فسفر از فاضلاب ایجاد شدند. به دنبال آن درمان بیوشیمیایی A/O (آنوکسیک/اکسیک) بیشتر انجام شد. طبق استاندارد GB18918{5}}2002، سطح COD پساب خروجی و نیتروژن آمونیاکی (NH3{7}}N) می تواند استاندارد ثانویه (COD: 100 میلی گرم در لیتر، NH3-N: 25-30 میلی گرم در لیتر) را برآورده کند. این فرآیند به طور موثر محتوای آلی در پساب را کاهش می دهد و دشواری مراحل تصفیه بعدی را کاهش می دهد.
1. بخش تجربی
1.1 طراحی جریان فرآیند
جریان فرآیند کلی برای تصفیه فاضلاب سیر در نشان داده شده استشکل 1، که جزء اصلی آن استتجزیه زیستی در سیستم MBBR + A/O. سه سویه غربال شده و جدا شده موثر در تجزیه فاضلاب سیر - Alcaligenes sp.، Acinetobacter sp.، و Achromobacter sp. – با لجن فعال مخلوط شده و به واحد MBBR وارد شدند تا راه اندازی سریع آن را تسهیل کنند-.
1.2 MBBR + فرآیند درمان A/O
پس از عبور از صفحه های درشت و ریز برای حذف مواد جامد معلق، فاضلاب سیر مستقیماً به داخل MBBR پمپ می شود. کیفیت نفوذی در نشان داده شده استجدول 1. پساب خروجی از MBBR مستقیماً به سیستم A/O جریان می یابد. به دلیل محتوای آلی کم پساب MBBR، فاضلاب سیر خام به طور مناسب به مخزن Oxic (O) اضافه می شود تا منبع کربن برای فرآیند A/O تکمیل شود. برای آزمایش مقاومت در برابر ضربه سیستم، نرخ بارگذاری آلی MBBR در طول کار مداوم به تدریج افزایش یافت و کیفیت پساب کنترل شد.
1.3 پارامترهای فرآیند
1.3.1 اکسیژن محلول (DO)
DO بیش از حد بالا در بیوفیلم می تواند از نیترات زدایی جلوگیری کند و باعث شود MBBR قابلیت نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی همزمان خود را از دست بدهد. DO بسیار کم می تواند منجر به تکثیر باکتری های رشته ای شود که بر کیفیت پساب تأثیر می گذارد و فرآیند نیتریفیکاسیون را مهار می کند.
1.3.2 زمان نگهداری هیدرولیک (HRT)
HRT بسیار کوتاه باعث شرایط واکنش شدید می شود، جایی که فاضلاب حاوی بیشتر مواد آلی قبل از جذب کامل تخلیه می شود. جریان پیوسته میکروارگانیسم ها را در یک حالت تجزیه زیستی ثابت نگه می دارد و باعث کاهش کارایی و افزایش مصرف انرژی می شود. HRT بیش از حد طولانی منجر به تخلیه مواد مغذی می شود. بدون مواد مغذی، میکروارگانیسم ها فعالیت و نیازهای متابولیکی خود را کاهش می دهند تا صرفاً بقای خود را حفظ کنند.
1.3.3 کربن-به-نسبت نیتروژن (C/N)
نسبت C/N پایین می تواند منجر به کاتالیز تبدیل آمونیاک به مواد دیگر شود که بر حذف نیتروژن آمونیاک تأثیر می گذارد. همچنین به راحتی باعث حجیم شدن رشته ای می شود، رشد مداوم بر لخته شدن اثر می گذارد و منجر به حجیم شدن لجن و لجن شناور می شود. نسبت C/N بالا برای تخریب زیستی و رشد میکروبی نامطلوب است و بار آلی را بر روی میکروارگانیسمها افزایش میدهد.
شروع 1.4 مگابایت بیوفیلم-
راه اندازی بیوفیلم-: از روش افزایش سرعت لجن تلقیح شده + جریان- استفاده شد. لجن فعال غنی شده با MBR با غلظت اولیه جامدات معلق مشروب مخلوط (MLSS) تقریباً 5.82 گرم در لیتر به راکتور تلقیح شد. هوادهی آغاز شد و حامل های پلی اتیلن به راکتور اضافه شدندنسبت پر شدن حدود 60%. راانجام دهیددر راکتور کنترل شدبالاتر از 4.0 میلی گرم در لیتر. سرعت جریان ورودی به صورت پلکانی در افزایش 20 لیتر در ساعت افزایش یافت: 20، 40، 60، 80، 100، 120، 140 لیتر در ساعت، با هر نرخ جریان برای 1 روز حفظ شد. در این مرحله هیچ لجنی هدر نرفت. یک بیوفیلم زرد روشن روی سطح حاملها که در آن میکروارگانیسمها متصل شده و رشد میکنند، تشکیل شد. پس از راهاندازی موفقیتآمیز بیوفیلم{13}، عملیات پایدار ادامه یافت و یکزمان نگهداری لجن (SRT) 30 روز. در طول عملیات پایدار، نرخ بارگذاری آلی MBBR برای مشاهده تأثیر آن بر حذف COD، نیتروژن و فسفر تنظیم شد.
2. نتایج و بحث
2.1 تجزیه و تحلیل کیفیت پساب MBBR در طول راه اندازی بیوفیلم-
شدت هوادهی در MBBR برای کنترل غلظت DO تنظیم شد. هنگامی که DO کمتر از 4.0 میلی گرم در لیتر بود، شدت هوادهی برای پشتیبانی از حرکت آشفته جریان یکنواخت حامل ها کافی نبود، و از اختلاط کافی جلوگیری می کرد و تشکیل یک بیوفیلم روی سطوح حامل را دشوار می کرد. هنگامی که DO بین 4.0-6.0 میلی گرم در لیتر بود، حامل ها به طور کامل با لجن فعال و فاضلاب مخلوط شدند. تغییر رنگ از سفید به قهوهای مایل به زرد در حاملها مشاهده شد که نشاندهنده اتصال موفقیت آمیز میکروبی و رشد تحت این شدت هوادهی است، همانطور که در نشان داده شده است.شکل 2.
منحنی تغییرات COD ورودی و خروجی در مرحله شروع-در زیر نشان داده شده استشکل 3 (الف). کاهش اولیه در راندمان درمان به دلیل مقدار بسیار کم میکروارگانیسمهای متصل به حاملها بود. تخریب توسط میکروارگانیسم ها در لجن فعال به تنهایی برای حذف مقدار زیادی از مواد آلی کافی نبود. با پیشرفت- شروع، مقدار میکروارگانیسم های متصل به حامل ها افزایش یافت و به تدریج یک بیوفیلم را تشکیل داد. غلظت COD پساب به تدریج تثبیت شد و راندمان حذف COD بالای 90٪ تثبیت شد.
منحنی تغییرات MBBR ورودی و پساب NH3-N در نشان داده شده استشکل 3 (ب). نیتریفیکاسیون توسط باکتری های هوازی در لجن فعال به طور موثر نیتروژن آمونیاکی را حذف کرد. با شروع از روز 7، غلظت NH3- به تدریج افزایش یافت. در روز 23، اگرچه NH3- نفوذی همچنان در حال افزایش بود، نرخ حذف نیز افزایش یافت. این به این دلیل بود که باکتری های نیتریفیک در ابتدا به آرامی رشد می کنند. با گذشت زمان، جمعیت آنها افزایش یافت، بیوفیلم بالغ شد و میزان حذف NH3- به تدریج افزایش و تثبیت شد.
منحنی تغییرات ورودی MBBR و TN پساب در نشان داده شده استشکل 3 (ج). برخلاف حذف نیتروژن آمونیاکی، بازده حذف TN در ابتدا کاهش یافت. این به این دلیل بود که محیط راکتور منبع اکسیژن و کربن فراوانی داشت که رشد باکتریهای نیترات زدایی را محدود میکرد. با این حال، با تشکیل بیوفیلم، راندمان حذف TN شروع به بهبود کرد. در روز 20، اگرچه غلظت TN ورودی افزایش یافت، TN پساب و نرخ حذف تثبیت شد، بین 50٪ تا 60٪.
منحنی تغییرات ورودی MBBR و TP پساب در نشان داده شده استشکل 3 (د). از شروع{1}}تا عملیات پایدار، نرخ حذف TP ثابت باقی ماند. اگرچه غلظت TP ورودی در ابتدا بالا بود و بعداً کاهش یافت، راندمان حذف تغییر قابل توجهی نشان نداد که نشان دهنده توانایی سیستم برای حذف فسفر است. نرخ حذف TP در سیستم بین 80٪ تا 90٪ حفظ شد.
به طور خلاصه،حفظ سیستم MBBR DO بین 4-6 میلی گرم در لیتر، یک بیوفیلم بالغ که پس از 20 روز تغذیه مداوم ایجاد می شود.. در مقایسه با فرآیندهای لجن فعال سنتی، سیستم MBBR مقاومت در برابر ضربه قوی و راندمان تصفیه بالا را ارائه میکند و به طور موثری دشواری مراحل تصفیه بعدی را برای فاضلاب پردازش سیر کاهش میدهد.
2.2 تجزیه و تحلیل کیفیت پساب در طول عملیات پایدار
پس از مرحله شروع{0}}بیوفیلم، بیوفیلم بالغ شد. برای آزمایش مقاومت ضربه ای سیستم MBBR، نرخ بارگذاری آلی در طول عملیات پایدار به طور مداوم افزایش می یابد.
منحنی تغییرات ورودی MBBR و COD پساب در طول عملیات پایدار نشان داده شده استشکل 4 (الف). از روزهای 1 تا 5، با جریان ثابت، راندمان حذف COD بالای 95٪ باقی ماند و غلظت COD پساب به حدود 100 میلی گرم در لیتر رسید. از روزهای 5 تا 20، نرخ جریان افزایش یافت و به تدریج بارگذاری آلی را از 20 کیلوگرم COD/m³·d به 30 kgCOD/m³·d افزایش داد. هیچ تغییر قابل توجهی در راندمان حذف مشاهده نشد و COD پساب بین 80-100 میلی گرم در لیتر باقی ماند که مقاومت در برابر ضربه قوی را نشان می دهد. پس از روز 20، نرخ جریان بیشتر افزایش یافت، و به طور مداوم بارگذاری آلی در راکتور را از 30 kgCOD/m³·d به 37 kgCOD/m³·d افزایش داد که به مدت 5 روز حفظ شد. ظرفیت حذف COD MBBR بالای 95٪ باقی مانده است.
شکل 4 (ب) و (ج)منحنی های تغییر را برای NH3-N و TN به ترتیب در طول عملیات پایدار نشان دهید. از روزهای 1 تا 5، با جریان ثابت، بیوفیلم MBBR نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی همزمان را نشان داد. باکتری های نیتریفیک کننده هوازی متصل به لایه بیرونی بیوفیلم، به طور کامل با فاضلاب تحت هوادهی مخلوط شده، منابع نیتروژن قابل توجهی را از طریق نیتریفیکاسیون مصرف می کنند. باکتریهای نیتراتزدایی در لایه اکسیژن داخلی به طور موثر نیترات نیترات را از طریق نیترات زدایی حذف کردند. از روزهای 5 تا 20، با افزایش نرخ جریان، راندمان حذف NH3-N و TN در ابتدا به طور قابل توجهی کاهش یافت. پس از حدود 7 روز کار مداوم، سیستم به تدریج سازگار شد. اگرچه راندمان حذف برای NH3-N و TN سپس افزایش یافت، نسبت به دوره جریان کم کمتر باقی ماند. تحت جریان ثابت، حذف NH3{16}N به بیش از 90٪ رسید، با NH3{18}} NH3 بین 10-15 میلی گرم در لیتر، و حذف TN اساساً بالای 80٪ با TN پساب در حدود 30 میلی گرم در لیتر حفظ شد. پس از افزایش جریان ورودی و رسیدن سیستم به تعادل جدیدی تحت تاثیر مداوم، حذف NH3{24}N در حدود 80% با NH3{26}} NH3 بین 50-70 mg/L، و حذف TN در حدود 60% با TN پساب زیر 50 mg/L تثبیت شد.
منحنی تغییرات برای TP در طول عملیات پایدار نشان داده شده استشکل 4 (د). غلظت TP پساب اساساً در حدود 10 میلی گرم در لیتر حفظ شد. در ابتدا، با جریان کم ثابت و غلظت TP ورودی کم، اثر درمان محدود بود. با افزایش نرخ جریان ورودی و غلظت TP ورودی، راندمان تصفیه بالا در طول فاز ضربه و پس از آن عملیات بار بالا، با نرخ حذف TP در حدود 90 درصد در نوسان بود.
به طور خلاصه،تحت شوک بارگذاری آلی بالا، راندمان حذف COD سیستم تا حد زیادی بدون تغییر باقی ماند، اما حذف NH3-N و TN به طور قابل توجهی کاهش یافت.. هنگامی که بارگیری آلی به حداکثر 37 kgCOD/m3·d رسید، راندمان حذف سیستم برای NH3-N و TN به طور قابل توجهی کاهش یافت.
2.3 تجزیه و تحلیل کیفیت پساب سیستم MBBR + A/O
پس از مرحله شروع{0}راه اندازی بیوفیلم و یک ماه کارکرد پایدار، یک فرآیند A/O در پایین دست برای تصفیه پیشرفته پساب MBBR اضافه شد. افزایش گرادیان در نرخ ورودی برای افزایش بارگذاری کلی آلی، با هدف تعیین نرخ جریان ورودی بهینه، مطابق با HRT بهینه اعمال شد.
منحنی تغییرات COD در نشان داده شده استشکل 5 (الف). سرعت ورودی به ترتیب افزایش یافت: 100، 120، 130، 150، 170 لیتر در ساعت. از ابتدا تا حداکثر سرعت جریان، بارگذاری آلی در سیستم MBBR از 20 kgCOD/m³·d به 37 kgCOD/m³·d افزایش یافت. پساب نهایی از سیستم ترکیبی با غلظت COD کمتر از 100 میلی گرم در لیتر پایدار باقی ماند. تحت شوک بارگذاری آلی بالا پایدار، سیستم MBBR عملکرد خوبی داشت، اگرچه COD پساب آن با رسیدن سرعت جریان به 150 لیتر در ساعت افزایش جزئی نشان داد. پس از حفظ سرعت جریان 170 لیتر در ساعت برای چند روز، روند صعودی قابل توجهی در COD پساب MBBR مشاهده شد. با این حال، با فرآیند A/O بعدی، پساب نهایی سیستم ترکیبی همچنان زیر 100 میلیگرم در لیتر باقی ماند. این نشان میدهد که حتی تحت شوک بارگذاری آلی بالای 37 کیلوگرم COD/m³·d، فرآیند ترکیبی هنوز هم اثر حذف قوی بر فاضلاب پردازش سیر دارد.
منحنی های تغییر برای NH3-N و TN در نشان داده شده استشکل 5 (ب) و (ج)به ترتیب. فاضلاب فرآوری سیر دارای غلظت بالایی از نیتروژن آمونیاکی و نیتروژن کل است که می تواند در طول زمان به دلیل اکسیداسیون افزایش یابد. به طور معمول، غلظت نیتروژن آمونیاک بین 300-500 میلی گرم در لیتر و نیتروژن کل بین 450-600 میلی گرم در لیتر است. تحت نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی همزمان در MBBR، حذف نیتروژن آمونیاکی موثرتر بود، احتمالاً به این دلیل که باکتریهای نیتریفیکاسیون از فاضلاب به طور مؤثرتری تحت هوادهی استفاده میکنند. باکتریهای نیتروژنکننده نیاز به شرایط بدون اکسیژن دارند و اغلب برای نیتراتزدایی به کربن آلی مصرفی وابسته هستند. هنگام افزایش نرخ جریان، راندمان حذف NH3-N و TN توجه اولیه بود. از روزهای 1 تا 4، به دلیل سرعت جریان کم و NH3{13}}N متوسط، نرخ حذف NH3- بالای 90٪ باقی ماند و راندمان حذف TN به تدریج افزایش یافت. پس از آن، نرخ ورودی به طور قابل توجهی افزایش یافت. به وضوح مشاهده شد که با افزایش نرخ ورودی، غلظت پساب NH3-N و TN در مراحل مختلف به طور متوالی افزایش یافت، با نرخهای ورودی بالاتر که منجر به غلظتهای پساب بالاتر میشود. با افزایش سرعت جریان، زیست توده روی حاملهای بیوفیلم افزایش یافت و نیتریفیکاسیون را افزایش داد، جایی که نیتروژن آمونیاکی با نیتریف کردن باکتریها به نیترات و نیتریت تحت اکسیژن اکسید میشود.
منحنی تغییرات غلظت TP در نشان داده شده استشکل 5 (د). با توجه به غلظت بالای COD و TN ورودی، غلظت بهینه TP نظری برای رشد میکروبی بالای 100 میلی گرم در لیتر است. با این حال، غلظت TP نفوذی بسیار کمتر از این نیاز نظری بود. بنابراین، غلظت TP پساب MBBR در حدود 10 میلی گرم در لیتر باقی ماند و غلظت نهایی TP پساب سیستم ترکیبی بین 2 تا 3 میلی گرم در لیتر حفظ شد.
مشخصات لجن سیستم MBBR و سیستم A/O بعدی قبل و بعد از عملیات اندازه گیری شد، همانطور که در نشان داده شده است.جدول 2.
به طور خلاصه،هنگامی که سرعت جریان به 150 لیتر در ساعت افزایش یافت، نرخ حذف برای COD، NH3-N، TN، و TP نسبت به سایر نرخهای جریان برتر بود.. HRT در این نرخ جریان 27 ساعت بود. علاوه بر این، غلظت لجن در هر دو سیستم MBBR و A/O پس از عملیات به طور قابل توجهی افزایش یافت.
3. نتیجه گیری
پس از تشکیل بیوفیلم در MBBR، راندمان حذف برای COD، NH3-N، TN و TP پایدار بود. در طول یک ماه کار مداوم در شرایط پایدار، حذف COD به بیش از 95٪ رسید، حذف NH3-N و TN حدود 80٪، و حذف TP حدود 90٪ تثبیت شد.
پساب MBBR بیشتر در سیستم A/O تصفیه شد. فرآیند ترکیبی می تواند بارگذاری آلی را تا 37 کیلوگرم COD/m³·d تحمل کند. عملیات بهینه برای فرآیند کلی زیر HRT 27 ساعت بود. COD پساب نهایی زیر 100 میلی گرم در لیتر، NH3{6} N بین 10-20 میلی گرم در لیتر، TN زیر 30 میلی گرم در لیتر، و TP زیر 10 میلی گرم در لیتر تثبیت شد. غلظت لجن در سیستم MBBR پس از عملیات 8.5 گرم در لیتر و در سیستم A/O 4.1 گرم در لیتر بود که هر دو به طور قابل توجهی بالاتر از قبل از عملیات بود که نشان دهنده افزایش قابل توجهی در زیست توده میکروبی است. سطح COD و نیتروژن آمونیاک پس از تصفیه بیولوژیکی با استاندارد تخلیه ثانویه GB18918-2002 مطابقت داشت. برای تصفیه بیشتر، فناوری اکسیداسیون پیشرفته فنتون می تواند برای تصفیه عمیق پساب تصفیه شده بیولوژیکی برای دستیابی به استاندارد تخلیه سطح اول استفاده شود.