ביצועי הסרת מזהמים של מערכת S-MBBR לטיפול בשפכים עם יחס C/N נמוך: COD, TN, NH₄⁺-N ו-TP

ניתוח של ביצועי הסרת מזהמים במערכת S-MBBR לטיפול בשפכים עם יחס C/N נמוך

מָבוֹא

עם האצת העיור והתיעוש, הולכת וגוברת הזרמת שפכים של יחס C/N נמוך (יחס פחמן-ל-חנקן נמוך), שמקורם בעיקר בביוב ביתי, עיבוד מזון, חקלאות ומי קירור במחזור. כדי להתמודד עם יעילות הסרת החנקן הכוללת (TN) הירודה בשפכים עם יחס C/N נמוך, ניטריפיקציה-קצרה-דניטריפיקציה וניטריפיקציה ודניטרית סימולטנית (SND) משכו תשומת לב בשנים האחרונות. באופן יחסי, תנאי התגובה של תהליך SND קלים יותר לשליטה, והוא יכול להשיג גם הסרת פחמן וגם הסרת חנקן בו זמנית. לכן, יש לו יתרון משמעותי בטיפול להסרת חנקן עבור שפכים עם יחס C/N נמוך. כור אצווה הרצף (SBR) מקל על סילוק חנקן וזרחן על ידי שליטה בריכוז החמצן המומס. בשילוב עם כור הביופילם במיטה הנעה (MBBR) ליצירת מערכת S-MBBR, הביופילם על הנשאים מספק תנאי גדילה מרובדים עבור חיידקים מנטריפי אירובי וחיידקים דניטריפיים אנוקסיים, יוצר מיקרו-סביבה SND ובו זמנית מגדיל את שטח הפנים הספציפי והיציבות המיקרוביאלית של המערכת. מחקרים הראו ש-S-MBBR עדיף על תהליכים מסורתיים מבחינת יעילות הסרת חנקן וזרחן, עמידות בפני זעזועים ויציבות המערכת.

1 חומרים ושיטות

1.1 הגדרה נסיונית.מערך הניסוי כלל בעיקר מיכל שפע, מפוח אוויר, מכשיר ערבוב, מיכל קולחים והכור הראשי. הנפח האפקטיבי של הכור היה 1.8 ליטר, וקיבולת הטיפול למחזור הייתה 1 ליטר. הכור התמלא בסוג חדש של נשא ביו-אפיניטיבי ביחס מילוי של כ-25%. ריכוז המשקאות המעורבים הראשוניים של מוצקים מרחפים נדיפים (MLVSS) בכור היה 3000 מ"ג/ליטר.

1.2 חומרים ניסויים.חומר המילוי הנשא -משונה בזיקה הוכן על ידי מיזוג פיזי וטכנולוגיית בורג שחול. ההליך הספציפי היה כדלקמן: 3% ברזל אפס-, HDPE וחומרי עזר (2% זאוליט טבעי, 2% פוליקווטרניום-10 ו-1% אבקת טלק) ערבבו באופן אחיד. לאחר מכן, התערובת הומסה באמצעות מכבש SJ-20 עם בורג יחיד והוצאה לרצועות גרגיריות (קוטר של כ-5 מ"מ, אורך של 5-10 מ"מ). לבסוף, חלקיקים מוצקים אלה הוצאו באמצעות מכבש SJ-30 עם בורג אחד כדי לייצר את הנשא הסופי.

1.3 תנאי הפעלה.הוקמו שני כורים: אחד עם נשאים (S-MBBR, מסומן R1) ואחד ללא נשאים (SBR, מסומן כ-R2). כל שאר התנאים נשמרו כפי שהם. השלב הראשון היה הפעלה- של חיבור ביופילם, שהופעל במצב SBR ביחס של 3:3:2. מחזור ההפעלה כלל שלבי שפע, סטטי, תגובת אוורור, ערבוב אנוקסי, שקיעה וקולחים (3 שעות אנאירובי, 3 שעות אוורור, 2 שעות ערבוב/שיקוע/השפעה/קולח). נעשה שימוש ב-NaHCO₃ כדי להתאים את ה-pH המשפיע לסביבות 8. לאחר הצמדת ביופילם מוצלחת, ריכוז חנקן האמוניה שונה כדי להפחית את יחס ה-C/N והניסוי החל, כמפורט ב-טבלה 1.

1.4 מים ניסויים ובוצה מחוסנת.ה-COD, NH₄⁺-N והזרחן הכולל (TP) בשפכים הסינתטיים המשמשים להפעלת ביופילם- סופקו על ידי C₆H₁₂O₆, NH₄Cl ו-KH₂PO₄, בהתאמה. יסודות קורט היו מורכבים מ-EDTA-2Na (18.76 גרם/ליטר), CoCl₂·6H₂O (0.3 גרם/ליטר), CuSO₄·5H₂O (0.32 גרם/ליטר), NiCl₂·6H₂O (0.24 גרם/ליטר), H₃BO₄04/0. (0.54 גרם/ליטר), MnCl₂·4H₂O (1.24 גרם/ליטר), NaMoO₄·2H₂O (0.28 גרם/ליטר), ו-NaWO₄·2H₂O (0.1 גרם/ליטר). הרכב השפכים הסינתטיים היה: C₆H₁₂O₆ (0.47 גרם/ליטר), NH₄Cl (0.095 גרם/ליטר), KH₂PO₄ (0.022 גרם/ליטר), NaCl (0.1 גרם/ליטר), NaHCO₃ (0.15 גרם/ליטר), MH₄₄ (0.15 גרם/ליטר), גרם/ליטר), CaCl₂ (0.05 גרם/ליטר), FeSO₄·7H₂O (0.02 גרם/ליטר), ויסודות קורט (1 מ"ל/ליטר). הבוצה נלקחה ממיכל שיקוע משני של מפעל טיהור שפכים בדאליאן.

1.5 שיטות אנליטיות.מדדי שגרה נמדדו על פי השיטות הסטנדרטיות המפורטות ב"שיטות סטנדרטיות לבחינת מים ושפכים" (מהדורה רביעית) ובתקנים לאומיים, לרבות ניתוח יכולת סילוק מזהמים, ניתוח עכירות ממברנות וניתוח הפקת גז. באופן ספציפי: NH₄⁺-N נמדד בשיטה הספקטרופוטומטרית של ריאגנט חומצה סליצילית; TP לפי השיטה הספקטרופוטומטרית של אמוניום מוליבדאט; NO₃⁻-N לפי השיטה הספקטרופוטומטרית של ריאגנט חומצה גופרתית מרוכזת של חומצה סליצילית-; NO₂⁻-N לפי השיטה הספקטרופוטומטרית N-(1-naphthyl)ethylenediamine; TN היה סכום הריכוזים של כל צורות החנקן; COD נמדד בשיטת העיכול המהיר; וריכוז הבוצה (כולל MLSS ו- MLVSS) נמדד בשיטה הגרבימטרית.

2 תוצאות וניתוח

2.1 ביצועי הסרת COD

חומר אורגני שנכנס לכור הוסר בשלבים הכוללים אנאירובי, אירובי (אוורור), ערבוב אנוקסי, שקיעה ושפכים.איור 1מציג את ביצועי הסרת ה-COD של הכורים בשלבים תפעוליים שונים. שלב I היה שלב ההצמדה לביופילם, ושלבים II, III ו-IV היו השלבים שבהם יחס C/N/P הופחת ל-100:8:1, 64:8:1 ו-32:6:1, בהתאמה. שיעורי ההסרה הממוצעים של R1 בכל שלב היו 95.57%, 96.25%, 92.70% ו-94.18%, בהתאמה; שיעורי ההסרה הממוצעים של R2 בכל שלב היו 94.71%, 96.19%, 92.54% ו-94.68%, בהתאמה. ניתן לראות שלתהליך זה יש ביצועים טובים של סילוק חומרים אורגניים, ובתנאי שפכים יציבים יחסית, הוא עמד בדרישות התקן GB 18918-2002 (ריכוז COD < 50 mg/L). מכיוון שהמערכת פעלה ביחס C/N נמוך, מקור הפחמן הפך למצע המגביל המניע את חילוף החומרים היעיל. לא היה הבדל מובהק בהסרת COD בין R1 ל-R2, מה שמוכיח שלנשא המשתנה הייתה השפעה מועטה על הסרת COD.

ביצועי הסרה של 2.2 NH₄⁺-N ו-TN

תהליך הסרת TN כולל שני שלבים עיקריים: ניטריפיקציה ודניטריפיקציה. ניטריפיקציה, כתהליך אירובי, מסתמכת על מספיק מיקרואורגניזמים אירוביים כדי להמיר חנקן אמוניה לחנקה.איורים 2 ו-3הצג את ביצועי ההסרה של NH₄⁺-N ו-TN של הכורים, בהתאמה. NH₄⁺-N ו-TN הוסרו בעיקר בשלבי האוורור האירובי והסטטי האנוקסי. שלב I היה שלב ההצמדה לביופילם, ושלבים II, III ו-IV היו השלבים שבהם יחס C/N/P הופחת ל-100:8:1, 64:8:1 ו-32:6:1, בהתאמה. שיעורי ההסרה הממוצעים של NH₄⁺-N עבור R1 היו 92.53%, 95.83%, 99.70% ו-98.31%, בהתאמה; שיעורי ההסרה הממוצעים של NH₄⁺-N עבור R2 היו 84.34%, 91.82%, 99.70% ו-97.52%, בהתאמה. שיעורי ההסרה הממוצעים של TN עבור R1 היו 89.53%, 87.21%, 82.44% ו-83.20%, בהתאמה; שיעורי ההסרה הממוצעים של TN עבור R2 היו 78.3%, 78.89%, 73.26% ו-76.66%, בהתאמה. בהשוואה ל-R2, שיעורי ההסרה הממוצעים של NH₄⁺-N עבור R1 עלו ב-9.7%, 4.36%, 0% ו-0.82%, בהתאמה; שיעורי הסרת ה-TN הממוצעים עלו ב-14.35%, 10.55%, 12.54% ו-8.3%, בהתאמה. ניתן לראות שמערכת R1 עלתה על R2 בסילוק חנקן בכל השלבים, במיוחד בשלבים המוקדמים של פעולת המערכת, כשההבדל מתייצב בהדרגה בשלבים מאוחרים יותר.

במהלך שלב I, ריכוז ה-NH₄⁺-N הנפלט היה נמוך, ומקור הפחמן היה מספיק יחסית כדי לעמוד בדרישות הדניטריפיקציה, כך שריכוז TN בשפכים היה נמוך. המיקרואורגניזמים המחוסנים היו עדיין בשלב ההסתגלות, והקהילה המיקרוביאלית התפקודית בתוך המערכת לא הוקמה במלואה, וכתוצאה מכך הסרה לא יציבה של NH₄⁺-N, אך היא התייצבה בהדרגה מאוחר יותר. לא נצפה הבדל משמעותי בין שני הכורים (R1 ו-R2) בשלב זה. בכניסה לשלב II, ריכוז ה-NH₄⁺-N המושפע פתאום עלה, אך תנאי האוורור לא הותאמו בו-זמנית, מה שגרם לתנודות משמעותיות במערכת, במיוחד בהסרה של NH₄⁺-N ו-TN. לאחר כ-6 ימי פעילות, שני הכורים התאוששו בהדרגה. משערים שעומס החנקן הגבוה באמוניה קידם את התפשטותם המהירה של חיידקים מחנקים, ובכך שיפר את היעילות של תהליך הניטריפיקציה. ככל שתפעול המערכת נמשך, מערכת הניטריפיקציה-הניטריפיקציה בתוך הכורים התבססה והתייצבה בהדרגה, והתנודתיות בריכוז ה-TN פחתה. בשל נוכחותו של הספק המשונה, מערכת R1 השיגה TN שיורי נמוך יותר, כאשר הנשא שיפר את קצב הסרת ה-TN של הכור וגם הגביר את יכולת ההסתגלות של המערכת לעומסי זעזועים. ביום 49, כדי לשפר את הסרת PO₄, עוצמת האוורור הוגברה, מה שקדם תהליך ניטריפיקציה מלא יותר. עם זאת, העלייה בחנקה שהופקה על ידי ניטריפיקציה הובילה לביקוש גבוה יותר למקורות פחמן לדניטריפיקציה, בעוד שמקור הפחמן המשפיע לא היה מספיק יחסית בשלב זה, מה שגרם לרמה מסוימת של עלייה בקולחים TN. בשלב III, COD הופחת עוד יותר, מה שהפך את מקור הפחמן לזמין עבור דניטריפיקציה בתוך הכור לדל עוד יותר, והגביל עוד יותר את הסרת ה-TN, והרמה הכוללת של ריכוז TN בשפכים עלתה. עם זאת, מערכת R1 עדיין שמרה על ביצועי הסרת TN טובים יותר מאשר R2, מה שמדגים את ההשפעה המשפרת של הספק. בשלב IV, ריכוז חנקן האמוניה הועלה עוד יותר. בהתבסס על ניסיון מהשלב הקודם, האוורור הוגדל מעט וזמן האוורור הוארך ל-4 שעות, מה שמקדם את פעילותם של חיידקים מחנקים, הופך את תהליך הניטריפיקציה לשלם יותר, ומשפר עוד יותר את יעילות הסרת NH₄⁺-N. עם זאת, מול האתגר של מחסור במקור פחמן, תהליך הניטריפיקציה היה מוגבל, וריכוז ה-TN עלה מעט בשלב מאוחר יותר. בסך הכל, הכור R1 עדיין היה עדיף על R2, והראה יכולת הסרת TN חזקה יותר, מה שמעיד על כך שלאחר-פעולה ארוכת טווח, מבנה הביופילם היציב והסביבה האירובית האנוקסית הסינרגית שנוצרה ב-R1 סיפקו מקום ותנאים טובים לתהליך הניטריפיקציה והדניטריפיקציה בו זמנית (SND). Zhang Kefang et al. השתמש בתהליך SBR לטיפול בשפכים עם יחס C/N נמוך, והשגת חמצון של חומרים אורגניים, ניטריפיקציה ודניטריפיקציה בתוך כור בודד, עם שיעור סילוק TN העולה על 80%. תוצאות אלו מוכיחות למעשה שדניטריפיקציה ביולוגית-יחידה היא ריאלית לחלוטין.

2.3 ביצועי הסרת TP

בטיפול בשפכים, פינוי זרחן מסתמך בעיקר על מיקרואורגניזמים ספציפיים, כגון אורגניזמים המצטברים זרחן- (PAOs), אשר סופגים זרחן מסיס בתנאים אירוביים ומשחררים זרחן בתנאים אנאירוביים.איור 4מציג את ביצועי הסרת ה-TP של הכורים. TP הוסר במהלך שלב האוורור האירובי. ריכוז ה-TP בשלבים I, II ו-III נותר ללא שינוי, עם ריכוז השפעה ממוצע של 5.01 מ"ג/ליטר. בשלב IV, ריכוז ה-TP המשפיע הממוצע היה 10.30 מ"ג/ליטר. ריכוזי הקולחים הממוצעים עבור R1 בכל שלב היו 0.27 מ"ג/ליטר, 0.16 מ"ג/ליטר, 0.13 מ"ג/ליטר ו-1.92 מ"ג/ליטר, בהתאמה, עם שיעורי הסרה ממוצעים של 94.73%, 96.78%, 97.54% ו-81.35% בהתאמה. ריכוזי הקולחים הממוצעים עבור R2 היו 0.39 מ"ג/ליטר, 0.35 מ"ג/ליטר, 0.33 מ"ג/ליטר ו-0.33 מ"ג/ליטר, בהתאמה, עם שיעורי הסרה ממוצעים של 92.19%, 93.01%, 93.61% ו-68.79%, בהתאמה. בהשוואה ל-R2, שיעורי הסרת ה-TP הממוצעים עבור R1 עלו ב-2.75%, 4.05%, 4.20% ו-18.26% בכל שלב, בהתאמה.

במערכת R1, הנשא מספק משטח להתקשרות מיקרוביאלית, מקדם את הגדילה ואת חילוף החומרים של PAOs, מסייע ביצירת ביופילם יציב, משפר את פעילות הקהילה המיקרוביאלית, ובכך משפר את יכולת סילוק הזרחן של הכור והופך את תהליך סילוק הזרחן הביולוגי ליעיל יותר. בשלב II, על ידי שינוי ריכוז NH₄⁺-N כדי לקדם ניטריפיקציה, צריכת החמצן של המערכת עלתה. לכן, ביום 49, האוורור הוגבר כדי להאיץ את סילוק הזרחן. בשלב III, ההפחתה ב-COD הובילה למחסור במקור פחמן, שלא רק הפריע לתהליך הדניטריפיקציה אלא גם השפיע על הפעילות המטבולית של PAOs. בשלב IV, המערכת קרסה בגלל שיחס ה-C/N בכור ירד מ-8 ל-5.3. התחרות המועצמת על מקורות פחמן הפחיתה את מקור הפחמן הזמין ל-PAOs בשלב האנאירובי, מה שהוביל לירידה בסינתזת PHA, אשר בתורה השפיעה על הידרוליזה של פוליפוספט וחמצון PHA בתנאים אירוביים, בסופו של דבר מעכבת את צמיחת ה-PAO ואת יכולת ספיגת הזרחן, וכתוצאה מכך ירידה ביעילות סילוק הזרחן. עם זאת, שארית הזרחן ב-R1 עדיין הייתה נמוכה מזו שב-R2, מה שמעיד על כך שהאפקט המקדם של הנשא עדיין קיים.

3 מסקנה

נערך ניסוי השוואתי בין מערכת ה-S-MBBR הבנויה למערכת SBR כדי להעריך באופן שיטתי את ביצועי הסרת החנקן והזרחן שלהם בתנאי שפכים ביחס C/N נמוך. התוצאות הראו שמערכת S-MBBR עלתה על מערכת SBR קונבנציונלית בהסרת COD, NH₄⁺-N, TN ו-TP. במיוחד בתנאי חוסר- של מקור פחמן, העליות המקסימליות בשיעורי ההסרה עבור TN ו-NH₄⁺-N הגיעו ל-14.35% ו-8.19%, בהתאמה. בנוסף, מערכת S-MBBR הפגינה עמידות חזקה בפני זעזועים של עומס ויציבות קולחים בשלבי תפעול שונים. הכנסתם של נשאים מרחפים היטיבה ביעילות את המבנה המיקרו-סביבתי של המערכת, קידמה את התרחשותם של ניטריפיקציה ודניטריפיקציה סימולטנית (SND), הגבירה את המגוון המיקרוביאלי והפעילות המטבולית, ושיפרה את יכולת הטיפול הכוללת של המערכת. תוצאות המחקר מצביעות על כך שלטכנולוגיית S-MBBR יש סיכויי יישום טובים לטיפול בשפכים ביחס C/N נמוך והיא יכולה לספק תמיכה טכנית לאופטימיזציה ושדרוג של תהליכי טיפול קיימים בשפכים.