טיפול מיקרוביאלי משופר בשפכי שום באמצעות MBBR + תהליך A/O
סקירה כללית
שפכי שוםמקורו בעיקר בתהליכי חיתוך ושטיפה במהלך עיבוד השום. הוא מאופיין בריכוז גבוה של חומרים אורגניים, sרמות משמעותיות של חנקן וזרחן, ומכיל כמויות ניכרות של אליצין. אליצין (דיאליל תיוסולפינאט) הוא נוזל נדיף שאחראי לריח החריף של השום ואינו יציב מבחינה כימית ותגובתי מאוד. אליצין יכול לעכב את הצמיחה של מיקרואורגניזמים שונים. פריקת שפכי שום בריכוז- גבוה ללא טיפול גורמת להשפעות סביבתיות חמורות. כמה חוקרים השתמשו בטכניקות כגון סינון ממברנה, חמצון פנטון ומיקרו-אלקטרוליזה, אך שיטות אלו לא היו יעילות לטיפול בשפכי שום, והשימוש במינונים גדולים של כימיקלים מגדיל את עלויות הטיפול הבאות. חוקרים רבים הציעו שיטות טיפול ביולוגיות תוך שימוש בתהליכים משולבים אנאירוביים-אירוביים. עם זאת, בשל התכונות האנטיבקטריאליות של אליצין, מיקרואורגניזמים קשים לטיפוח, ויעילות הטיפול אינה אידיאלית. לכן, המוקד של הטיפול הביולוגי הוא ללטפח ולהתאקלם זנים מיקרוביאליים המסוגלים להסתגל לשפכי שום ולשפר את הפירוק הביולוגי שלהם.
מחקר זה כלל טיפוח והקרנהזני חיידקים יעילים בהשפלת שפכי שום, שהוכנסו אז לתוך אכור ביופילם במיטה נעה (MBBR). באמצעות בוצה מחוסנת ושיטת יצירת ביופילם-הגדלת קצב הזרימה, הוקמו סרטי ביופילם כדי לשפר את סילוק החנקן והזרחן מהשפכים. לאחר מכן, טיפול ביוכימי A/O (Anoxic/Oxic). על פי תקן GB18918-2002, רמות COD בקולחים וחנקן אמוניה (NH₃-N) יכולות לעמוד בתקן המשני (COD: 100 mg/L, NH₃-N: 25-30 mg/L). תהליך זה מפחית ביעילות את התוכן האורגני בשפכים, ומפחית את הקושי של שלבי הטיפול הבאים.
1. מדור ניסוי
1.1 עיצוב זרימת תהליך
זרימת התהליך הכוללת לטיפול בשפכי שום מוצגת באיור 1, כאשר מרכיב הליבה הוא הפירוק ביולוגי במערכת MBBR + A/O. שלושה זנים מסוננים ומבודדים יעילים בהשפלת שפכי שום - Alcaligenes sp., Acinetobacter sp., ו-Achromobacter sp. - עורבבו עם בוצה פעילה והוכנסו ליחידת MBBR כדי להקל על ההפעלה המהירה שלה-.
1.2 MBBR + תהליך טיפול ב-A/O
לאחר מעבר דרך מסכים גסים ועדינים להסרת מוצקים מרחפים, מי שפכי השום נשאבים ישירות ל-MBBR. איכות ההשפעה מוצגת בטבלה 1. הקולחים מה-MBBR זורמים ישירות למערכת ה-A/O. בשל התכולה האורגנית הנמוכה של שפכי MBBR, מי שפכי שום גולמיים מתווספים כראוי למיכל Oxic (O) כדי להשלים את מקור הפחמן לתהליך A/O. כדי לבדוק את עמידות המערכת לפגיעה, קצב ההעמסה האורגנית של ה-MBBR הוגדל בהדרגה במהלך פעולה רציפה, ונוטרה איכות הקולחים.
1.3 פרמטרים של תהליך
1.3.1 חמצן מומס (DO)
DO גבוה מדי בתוך הביופילם יכול למנוע דניטריפיקציה, ולגרום ל-MBBR לאבד את יכולת הניטריפיקציה והדיניטריפיקציה בו זמנית. DO נמוך מדי עלול להוביל לשגשוג של חיידקים חוטיים, להשפיע על איכות הקולחים ולעכב את תהליך הניטריפיקציה.
1.3.2 זמן שמירה הידראולי (HRT)
HRT קצר מדי גורם לתנאי תגובה אינטנסיביים, שבהם שפכים המכילים את רוב החומרים האורגניים נפלטים לפני שהם נספגים במלואם. זרימה מתמשכת שומרת על מיקרואורגניזמים במצב קבוע של פירוק ביולוגי, מפחיתה את היעילות ומגדילה את צריכת האנרגיה. טיפול הורמונלי ארוך מדי מוביל לדלדול של חומרים מזינים; ללא חומרים מזינים, מיקרואורגניזמים מפחיתים את פעילותם ואת הדרישות המטבוליות שלהם כדי לשמור על הישרדות בלבד.
1.3.3 יחס פחמן-ל-חנקן (C/N)
יחס C/N נמוך יכול להוביל לקטליזה של הפיכת אמוניה לחומרים אחרים, להשפיע על סילוק חנקן אמוניה. זה גם גורם בקלות להתנפחות חוטים, צמיחה מתמשכת המשפיעה על צקיפות, מה שמוביל להתנפחות בוצה ולבוצה צפה. יחס C/N גבוה אינו חיובי לפירוק ביולוגי וצמיחה של חיידקים, מה שמגביר את העומס האורגני על המיקרואורגניזמים.
1.4 MBBR Biofilm Start-
התחלת-ביופילם: נעשה שימוש בשיטת הגדלת קצב-הזרימה המחוסנת. בוצה פעילה מועשרת ב-MBR חוסן לתוך הכור, עם ריכוז התחלתי של Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS) של כ-5.82 גרם/ליטר. החל אוורור, ונוספו לכור נושאי פוליאתילן עם איחס מילוי של כ-60%. הלַעֲשׂוֹתבכור היה מבוקרמעל 4.0 מ"ג/ליטר. קצב זרימת ההשפעה הוגדל בהדרגה במרווחים של 20 ליטר לשעה: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 ליטר לשעה, כאשר כל קצב זרימה נשמר למשך יום אחד. לא התבזבזה בוצה בשלב זה. ביופילם צהוב בהיר נוצר על פני הנשאים שבו מיקרואורגניזמים נקשרו וגדלו. לאחר הפעלה מוצלחת של ביופילם-, הפעולה היציבה נמשכה תוך שמירה על אזמן אחזקת בוצה (SRT) של 30 יום. במהלך פעולה יציבה, קצב ההעמסה האורגני של ה-MBBR הותאם כדי לראות את השפעתו על סילוק COD, חנקן וזרחן.
2. תוצאות ודיון
2.1 ניתוח איכות הקולחים של MBBR במהלך ההפעלה- של ביופילם
עוצמת האוורור ב-MBBR הותאמה כדי לשלוט בריכוז ה-DO. כאשר ה-DO היה מתחת ל-4.0 מ"ג/ליטר, עוצמת האוורור לא הייתה מספקת כדי לתמוך בתנועה סוערת אחידה, -גבוהה של הנשאים, מניעת ערבוב נאות והקשה על יצירת ביופילם על משטחי הנשא. כאשר ה-DO היה בין 4.0-6.0 מ"ג/ליטר, הנשאים התערבבו היטב עם הבוצה הפעילה והשפכים. על הנשאים נצפה שינוי צבע מלבן לחום צהבהב-, מה שמעיד על התקשרות וגדילה מוצלחת של חיידקים תחת עוצמת אוורור זו, כפי שמוצג באיור 2.
עקומת הווריאציה של COD השפע והקולח במהלך שלב ההתחלה- מוצגת באיור 3(א). הירידה הראשונית ביעילות הטיפול נבעה מכמות נמוכה מאוד של מיקרואורגניזמים מחוברים על הנשאים; הפירוק על ידי מיקרואורגניזמים בבוצה הפעילה בלבד לא הספיק כדי להסיר את הכמות הגדולה של חומרים אורגניים. ככל שהתקדמה-ההתחלה, כמות המיקרואורגניזמים המחוברים על הנשאים גדלה, ויצרו בהדרגה ביופילם. ריכוז COD בקולחים התייצב בהדרגה, ויעילות סילוק COD התייצבה מעל 90%.
עקומת הווריאציה של NH₃-N בשפכים ובקולחים MBBR מוצגת באיור 3(ב). הניטריפיקציה על ידי חיידקים אירוביים בבוצה הפעילה הסירה למעשה חנקן אמוניה. החל מיום 7, ריכוז ה-NH₃-N המשפיע עלה בהדרגה. ביום 23, למרות שה-NH₃-N המושפע עדיין גדל, גם קצב ההסרה עלה. הסיבה לכך היא שחיידקים מחנקים גדלים לאט בתחילה; עם הזמן, אוכלוסייתם גדלה, הביופילם הבשיל, ושיעור ההסרה של NH₃-N עלה בהדרגה והתייצב.
עקומת הווריאציה של השפעות והקולחים של MBBR TN מוצגת באיור 3(ג). בניגוד להסרת חנקן אמוניה, יעילות סילוק ה-TN ירדה בתחילה. הסיבה לכך היא שבסביבת הכור היו מקורות חמצן ופחמן בשפע, מה שהגביל את הצמיחה של חיידקים מדניטרים. עם זאת, עם היווצרות הביופילם, יעילות הסרת TN החלה להשתפר. ביום ה-20, למרות שריכוז ה-TN המשפיע עלה, TN-הקולחים ושיעור ההסרה התייצבו, ונע בין 50%-60%.
עקומת הווריאציה של TP השפעות והקולחים של MBBR מוצגת באיור 3(ד). מההתחלה- ועד לפעולה יציבה, קצב הסרת ה-TP נשאר יציב. למרות שריכוז ה-TP המשפיע היה גבוה בתחילה וירד מאוחר יותר, יעילות ההסרה לא הראתה שינוי משמעותי, מה שמעיד על יכולת המערכת להסרת זרחן. שיעור הסרת ה-TP במערכת נשמר בין 80%-90%.
לסיכום,שמירה על מערכת MBBR DO בין 4-6 מ"ג/ליטר, ביופילם בוגר שפותח לאחר 20 יום של האכלה מתמשכת. בהשוואה לתהליכי בוצה פעילה מסורתיים, מערכת MBBR מציעה עמידות חזקה בפני פגיעות ויעילות טיפול גבוהה, ומפחיתה למעשה את הקושי של שלבי הטיפול הבאים בשום עיבוד שפכים.
2.2 ניתוח איכות הקולחים במהלך פעילות יציבה
לאחר שלב ההתחלה- של הביופילם, הביופילם הבשיל. כדי לבדוק את עמידות הפגיעה של מערכת MBBR, קצב הטעינה האורגנית הוגדל ברציפות במהלך פעולה יציבה.
עקומת השונות של COD השפעת והקולחים של MBBR במהלך פעולה יציבה מוצגת באיור 4(א). מהימים 1-5, עם זרימה מתמדת, יעילות הסרת COD נשארה מעל 95%, וריכוז COD בקולחים הגיע לסביבות 100 מ"ג/ליטר. מהימים 5-20, קצב הזרימה הוגבר, והעלה בהדרגה את העומס האורגני מ-20 kgCOD/m³·d ל-30 kgCOD/m³·d. לא נצפה שינוי משמעותי ביעילות ההסרה, ו-COD של שפכים נשאר בין 80-100 מ"ג/ליטר, מה שמוכיח עמידות חזקה בפני פגיעה. לאחר יום 20, קצב הזרימה הוגבר עוד יותר, תוך העלאה מתמשכת של העומס האורגני בכור מ-30 kgCOD/m³·d ל-37 kgCOD/m³·d, שנשמר במשך 5 ימים. יכולת הסרת COD של MBBR נותרה מעל 95%.
איורים 4(ב) ו-(ג)הצג את עקומות השונות עבור NH₃-N ו-TN, בהתאמה, במהלך פעולה יציבה. מהימים 1-5, עם זרימה מתמדת, הביופילם של MBBR הציג ניטריפיקציה ודניטריפיקציה בו זמנית. חיידקים מנטריפי אירובי המחוברים לשכבה החיצונית של הביופילם, מעורבבים במלואם עם מי השפכים תחת אוורור, צרכו מקורות חנקן משמעותיים באמצעות ניטריפיקציה. חיידקים דניטריפיי בשכבה האנוקסית הפנימית הסירו ביעילות חנקן חנקתי באמצעות דניטריפיקציה. מימים 5-20, ככל שקצב הזרימה גדל, יעילות ההסרה של NH₃-N ו-TN ירדה בתחילה באופן משמעותי. לאחר כ-7 ימים של פעילות רציפה, המערכת הסתגלה בהדרגה. למרות שיעילות ההסרה של NH₃-N ו-TN גדלה אז, היא נשארה נמוכה יותר מאשר בתקופת הזרימה הנמוכה-. בזרימה מתמדת, סילוק NH₃-N הגיע ליותר מ-90%, עם NH₃-N של שפכים בין 10-15 מ"ג/ליטר, והסרת TN נשמרה בעצם מעל 80%, עם TN של שפכים בסביבות 30 מ"ג/ליטר. לאחר הגדלת הזרימה והמערכת הגיעה לאיזון חדש תחת השפעה מתמשכת, סילוק NH₃-N התייצבה בסביבות 80%, עם NH₃-N של שפכים בין 50-70 מ"ג/ליטר, והסרת TN בסביבות 60%, כאשר TN בשפכים מתחת ל-50 מ"ג/ליטר.
עקומת הווריאציה עבור TP במהלך פעולה יציבה מוצגת באיור 4(ד). ריכוז TP בשפכים נשמר בעיקרון סביב 10 מ"ג/ליטר. בתחילה, עם זרימה נמוכה קבועה וריכוז TP משפיע נמוך, השפעת הטיפול הייתה מוגבלת. ככל שקצב הזרימה וריכוז ה-TP המשפיע עלו, הושגה יעילות טיפול גבוהה לאורך שלב ההשפעה ופעולת העומס הגבוה- שלאחר מכן, כאשר שיעור הסרת ה-TP נע סביב 90%.
לסיכום,תחת הלם טעינה אורגני גבוה, יעילות הסרת ה-COD של המערכת נותרה ללא שינוי, אך ההסרה של NH₃-N ו-TN ירדה באופן משמעותי יותר. כאשר העומס האורגני הגיע למקסימום של 37 kgCOD/m³·d, יעילות ההסרה של המערכת עבור NH₃-N ו-TN ירדה באופן ניכר.
2.3 ניתוח איכות שפכים של מערכת MBBR + A/O
לאחר שלב התחלת-הביופילם וחודש אחד של פעולה יציבה, נוסף תהליך A/O במורד הזרם לטיפול מתקדם בשפכי MBBR. עליות שיפוע בקצב הזרימה יושמו כדי להגדיל את העומס האורגני הכולל, במטרה לקבוע את קצב הזרימה האופטימלי, התואם ל-HRT האופטימלי.
עקומת שינוי ה-COD מוצגת באיור 5(א). קצב הזרימה גדל ברצף: 100, 120, 130, 150, 170 ליטר לשעה. מההתחלה לקצב הזרימה המקסימלי, העומס האורגני על מערכת MBBR גדל מ-20 kgCOD/m³·d ל-37 kgCOD/m³·d. השפכים הסופיים מהמערכת המשולבת נותרו יציבים, עם ריכוז COD מתחת ל-100 מ"ג/ליטר. תחת הלם העמסה אורגני גבוה מתמשך, מערכת MBBR תפקדה היטב, אם כי COD הקולחין שלה הראתה עלייה קלה כאשר קצב הזרימה הגיע ל-150 ליטר לשעה. לאחר שמירה על קצב הזרימה של 170 ליטר לשעה במשך מספר ימים, נצפתה מגמת עלייה ניכרת ב-COD של קולחי MBBR. עם זאת, עם תהליך ה-A/O שלאחר מכן, שפכי המערכת המשולבת הסופית עדיין נשמרו מתחת ל-100 מ"ג/ליטר. זה מצביע על כך שגם תחת הלם הטעינה האורגנית הגבוהה של 37 ק"גCOD/m³·d, לתהליך המשולב עדיין יש השפעה חזקה על הסרה על מי שפכים לעיבוד שום.
עקומות השונות עבור NH₃-N ו-TN מוצגות באיורים 5(ב) ו-(ג), בהתאמה. בשפכים לעיבוד שום יש ריכוזים גבוהים של חנקן אמוניה וחנקן כולל, שיכולים לעלות עוד יותר עם הזמן עקב חמצון. בדרך כלל, ריכוז חנקן אמוניה נע בין 300-500 מ"ג/ליטר, וסך החנקן בין 450-600 מ"ג/ליטר. תחת ניטריפיקציה ודניטריפיקציה בו-זמנית ב-MBBR, סילוק חנקן אמוניה היה יעיל יותר, ככל הנראה מכיוון שחיידקים מחנקים מנצלים את מי השפכים בצורה יעילה יותר תחת אוורור. חיידקים מדניטרים דורשים תנאים אנוקסיים ולעתים קרובות תלויים בפחמן אורגני שנצרך לצורך דניטריפיקציה. בעת הגדלת קצב הזרימה, יעילות ההסרה של NH₃-N ו-TN הייתה השיקול העיקרי. מהימים 1-4, עקב קצב זרימה נמוך ו-NH₃-N מתון, קצב ההסרה של NH₃-N נשאר מעל 90%, ויעילות הסרת TN עלתה בהדרגה. לאחר מכן, קצב הזרימה הוגדל באופן משמעותי. נצפה בבירור שככל שקצב הזרימה גדל, ריכוזי הקולחין של NH₃-N ו-TN בשלבים שונים עלו ברצף, כאשר קצבי זרימה גבוהים יותר הובילו לריכוזי קולחים גבוהים יותר. ככל שקצב הזרימה גדל, הביומסה על נושאי הביופילם גדלה, מה שהגביר את הניטריפיקציה, כאשר חנקן אמוניה מתחמצן על ידי חנקת חיידקים לחנקה וניטריט תחת חמצן.
עקומת שינוי ריכוז TP מוצגת באיור 5(ד). בהתחשב בריכוזי COD ו-TN המשפיעים הגבוהים, ריכוז ה-TP האופטימלי התיאורטי לגידול חיידקים הוא מעל 100 מ"ג/ליטר. עם זאת, ריכוז ה-TP המשפיע היה הרבה מתחת לדרישה תיאורטית זו. לכן, ריכוז ה- TP בשפכי MBBR נשאר סביב 10 מ"ג/ליטר, וריכוז ה-TP הסופי של קולחי המערכת המשולבת נשמר בין 2-3 מ"ג/ליטר.
נמדדו מאפייני הבוצה של מערכת MBBR ומערכת ה-A/O שלאחר מכן לפני ואחרי הפעולה, כפי שמוצג ב-טבלה 2.
לסיכום,כאשר קצב הזרימה הוגדל ל-150 ליטר לשעה, קצבי ההסרה של COD, NH₃-N, TN ו-TP היו עדיפים על אלה בקצבי זרימה אחרים. ה-HRT בקצב זרימה זה היה 27 שעות. יתר על כן, ריכוז הבוצה הן במערכות MBBR והן במערכות A/O עלה באופן משמעותי לאחר ההפעלה.
3. מסקנה
לאחר היווצרות ביופילם ב-MBBR, יעילות ההסרה עבור COD, NH₃-N, TN ו-TP הייתה יציבה. במהלך חודש אחד של פעולה רציפה בתנאים יציבים, הסרת COD הגיעה ליותר מ-95%, הסרת NH₃-N ו-TN התייצבה סביב 80%, והסרת TP התייצבה סביב 90%.
שפכי MBBR טופלו עוד במערכת A/O. התהליך המשולב יכול לעמוד בהעמסה אורגנית של עד 37 kgCOD/m³·d. הפעולה האופטימלית לתהליך הכולל היה תחת HRT של 27 שעות. COD הסופי של הקולחין התייצב מתחת ל-100 מ"ג/ליטר, NH₃-N בין 10-20 מ"ג/ליטר, TN מתחת ל-30 מ"ג/ליטר, ו-TP מתחת ל-10 מ"ג/ליטר. ריכוז הבוצה במערכת MBBR לאחר הפעולה היה 8.5 גרם/ליטר, ובמערכת ה-A/O היה 4.1 גרם/ליטר, שניהם גבוהים משמעותית מאשר לפני ההפעלה, מה שמצביע על עלייה ניכרת בביומסה המיקרוביאלית. רמות החנקן COD והאמוניה לאחר טיפול ביולוגי עמדו בתקן הפריקה המשנית של GB18918-2002. לטיפול נוסף, ניתן להשתמש בטכנולוגיית החמצון המתקדמת של פנטון לטיפול עמוק בשפכים המטופלים ביולוגית כדי להשיג את תקן הפריקה ברמה הראשונה.