ניסוי בקנה מידה-על מערכת A/O-רב-שלבית-MBBR להסרת חנקן בטמפרטורות בינוניות-נמוכות
סקירה כללית
בשנים האחרונות, סין השיגה תוצאות משמעותיות בניהול סביבת המים, אך עדיין מתמודדת עם בעיות כמו מחסור במקורות מים, זיהום סביבתי מים ופגיעה בסביבה האקולוגית של המים. מנקודת מבט של הגנה על משאבי המים, מניעת זיהום מים ושיקום אקולוגיית המים, לקידום מתמיד של שיפור יעילות ויעילות הטיפול בשפכים יש משמעות רבה להגדלת שיעורי ניצול משאבי המים, שיפור איכות סביבת המים, שיפור איכות החיים הלאומית, האצת בניית סביבה אקולוגית וניצחון במאבק על מים נקיים. נכון לעכשיו, בהתבסס על "התקן הלאומי להזרמת מזהמים למפעלי טיהור שפכים עירוניים" (GB18918-2002), ממשלות מקומיות הציעו ברציפות דרישות חדשות לאיכות השפכים של מתקני טיהור שפכים עירוניים, עם דרישות מחמירות במיוחד לגבי אינדיקטורים כגון חומר אורגני, חנקן אמוניה וחנקן כולל. טכנולוגיות מסורתיות לטיפול במים המיוצגות על ידי תהליך הבוצה המופעלת מתמודדות עם צווארי בקבוק כמו ניטריפיקציה ביולוגית מוגבלת בטמפרטורות נמוכות. מחקרים רבים הראו שביצועי הניטריפיקציה של תהליך הבוצה הפעילה יורדים באופן משמעותי בתנאי טמפרטורה-נמוכים, מלווה בבעיות כמו התנפחות בוצה חמורה וחלאות ביולוגיות. לכן, פריצת צוואר הבקבוק בטמפרטורה הנמוכה והשגת סילוק חנקן ביולוגי יציב ויעילה הפכה לבעיה דחופה לפתרון בתחום הטיפול בשפכים. טכנולוגיית Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) יושמה במאות מפעלי טיהור שפכים ברחבי העולם. בשל מצב הגדילה המחובר של הביופילם בתוך הכור ויכולת ההתחדשות המתמשכת שלו, הוא לא רק בעל ביומסה גבוהה אלא גם שומר על פעילות גבוהה. תוצאות היישום במדינות נורדיות גם מצביעות על יכולת הסתגלות חזקה יותר לטמפרטורות נמוכות בהשוואה לתהליך הבוצה המופעלת.
מסיבה זו, מחקר זה, המתמקד במאפיינים של שפכים עירוניים בסין, מנצל את היתרונות של MBBR ותהליך-רב-שלבי Anoxic/Oxic (A/O) להסרת חנקן ביולוגי כדי לבנותמערכת פיילוט A/O-MBBR-שלושה שלבים. נחקרה יכולת ההסרה של חומר אורגני, חנקן אמוניה וכלל חנקן אנאורגני של המערכת בתנאי טמפרטורה בינונית-נמוכה. יכולת הניטריפיקציה והשינויים המורפולוגיים של הביופילם בתנאי ניסוי סטטיים נותחו, תוך מתן תמיכה טכנית להשגת סילוק חנקן יציב ויעילה ממי שפכים עירוניים בתנאי טמפרטורה-נמוכים ולבנייה וויסות של מערכות A/O-רב-שלביות.
1. חומרים ושיטות
1.1 קנה מידה ניסיוני של מערכת פיילוט- ומצב תפעול
זרימת התהליך של מערכת הפיילוט של שלושת-שלבי A/O-MBBR-מוצגת באיור 1. מערכת הפיילוט- מורכבת משלושה שלבים של anoxic/oxic (A/O), המחולקים ל-10 אזורי תגובה בסך הכל.השלב הראשון-תת-מערכת A/O-MBBR מורכבת מאזורי תגובה אנוקסיים (A1, A2) ואזורי תגובה אירוביים (O3, O4).השלב השני-תת-מערכת A/O-MBBR מורכבת מאזורי תגובה אנוקסיים (A5, A6) ואזורי תגובה אירוביים (O7, O8).השלב השלישי-תת-מערכת A/O-MBBR מורכבת מאזור תגובה אנוקסית (A9) ומאזור תגובה אירובי (O10). הנפח האפקטיבי שלכל אזור תגובה שהוזכר לעיל הוא 1.4 מ' (1 מ' * 1 מ' * 1.4 מ'), עם עומק מים אפקטיבי של 1.4 מ'. לכל מקטע של אזור תגובה נוספו נשאי ביופילם (מדיה) עם שטח פנים ספציפי של 500 מ"ר/מ"ר, עם יחס מילוי נושא של 35% לכל. נעשה שימוש בערבוב מכני באזורי התגובה האנוקסית כדי לשמור על נוזלים של הנשאים, בעוד שאיוורור צינור מחורר שימש באזורי התגובה האירוביים, השולט עלריכוז חמצן מומס ב-3-9 מ"ג/ליטר.
קצב הזרימה בפועל של מערכת -הפיילוט היה (23.6 + 5.4) m³/d, תוך שימוש בחלוקת שפע של שתי -נקודות, עם נקודות כניסה מוגדרות באזורי תגובה A1 ו-O5, ויחס שפע של 1:1. למערכת -הפיילוט היו שתי קבוצות של מחזור נוזלים ניטריפי (מ-O4 ל-A1, ומ-O8 ל-A5), עם יחס מחזור של 100% עד 200% (בהתבסס על קצב הזרימה של כל שלב). כדי להבטיח דניטריפיקציה נאותה לאחר-, נוספו 50-90 מ"ג/ליטר של נתרן אצטט (מחושב כ-COD) כמקור פחמן חיצוני באזור התגובה A9. כל המחקר הניסיוני חולק ל-2 שלבים: שלב I - טמפרטורה רגילה (18-29 מעלות ); שלב II - טמפרטורה בינונית-נמוכה (10-16 מעלות).
1.2 בדיקת מים
ניסוי הפיילוט נערך באתר-במפעל טיהור שפכים עירוני בעיר צ'ינגדאו. מי הבדיקה נלקחו מהקולחים של מיכל השקיעה הראשוני של מפעל זה ונכנסו למערכת הפיילוט לאחר טיפול מוקדם משופר על ידי ציפה. תנאי איכות המים לאחר טיפול מקדים ציפה משופר מוצגים בטבלה 1.
1.3 אינדיקטורים ושיטות זיהוי
1.3.1 אינדיקטורים קונבנציונליים
מדדים קונבנציונליים כגון SCOD, NH₄⁺-N, NO₂⁻-N, NO₃⁻-N, SS, MLSS ו-MLVSS נמדדו בשיטות סטנדרטיות מ"שיטות ניטור וניתוח מים ושפכים". חמצן מומס, טמפרטורה, pH ו-ORP נמדדו באמצעות אמד חמצן מומס נייד (HACH HQ40d). עובי הביולוגי נמדד באמצעות anמיקרוסקופ פלואורסצנטי הפוך (Olympus, IX71).
1.3.2 ניסוי סטטי ניטריפיקציה
במהלך פעולת המערכת, נשאים מהאזורים האירוביים נדגמו מעת לעת כדי למדוד את יכולת הניטריפיקציה של הביופילם בתנאי תגובה סטטיים. נשאים מכל אזור תגובה אירובית הוכנסו לכור של 5 ליטר, עם יחס מילוי זהה למערכת הפיילוט של 35%. מי הבדיקה נקבעו באופן מלאכותי לתמיסת NH₄Cl עם ריכוז מסה של 20-25 מ"ג/ליטר (מחושב כ-N). במהלך הניסוי, נעשה שימוש במשאבת אוויר קטנה לאוורור כדי לשמור על הנזילות של הנשאים תוך שליטה בחמצן המומס ב-7-11 מ"ג/ליטר. משך הבדיקה היה שעתיים, עם מרווחי דגימה של 30 דקות, מדידת השינוי בריכוז NH₄⁺-N כדי לחשב את יכולת הניטריפיקציה של הביופילם בתנאי תגובה סטטיים.
2. תוצאות וניתוח
2.1 ביצועים תפעוליים של מערכת שלושת-שלבי A/O-MBBR Pilot
הביצועים התפעוליים של מערכת הפיילוט של שלושת-שלבי A/O-MBBR מוצגים באיור 2. בשלב הטמפרטורה הרגילה (שלב I), עם טמפרטורת תגובה של 18-29 מעלות, קצב זרימת טיפול של (23.6+5.4) m³/d, ומינון מקור פחמן של 50 מ"ג/ליטר (מחושב כ-COD, זהה להלן) באזור האנוקסי של-שלב A/O-השלב השלישי בתת-המערכת של MBBR, SC,en system MBBR. ריכוזי NH₄⁺-N ו-TIN היו (160±31), (35.0±7.2) ו-(35.8±7.0) מ"ג/ליטר, בהתאמה, וריכוזי הקולחים המטופלים היו (27±8), (0.6±0.5) ו-(2.7±2.2) מ"ג/ליטר, בהתאמהשיעורי הסרה ממוצעים מגיעים ל-83.1%, 98.3% ו-92.5%. בשלב הטמפרטורה הבינונית-נמוכה (שלב II), עם טמפרטורת תגובה של 10-16 מעלות, אותו קצב זרימת טיפול של (23.6+5.4) m³/d, ומינון מקור פחמן של 50-90 מ"ג/ליטר באזור האנוקסי של-שלב השלישי של-המערכת השפעת A/O-MB,BBR,A/O-SC ריכוזי NH₄⁺-N ו-TIN היו (147±30), (38.3±2.1) ו-(39.6±2.3) מ"ג/ליטר, בהתאמה, וריכוזי הקולחים היו (26±6), (0.4±0.6) ו-(6.8±3.6) מ"ג/ליטר, בהתאמה, עםשיעורי הסרה ממוצעים מגיעים ל-82.3%, 99.0% ו-82.8%. יתר על כן, במהלך הימים 56-62 של פעולת המערכת, כאשר מינון מקור הפחמן היה 50 מ"ג/ליטר, הופיעה הצטברות NO₂⁻-N משמעותית באזור התגובה A9. עם זאת, לאחר הגדלת מינון מקור הפחמן בהדרגה ל-90 מ"ג/ליטר, הצטברות NO₂⁻-N באזור התגובה A9 נעלמה בהדרגה, וריכוז ה-TIN בשפכים ירד לרמה סבירה.
2.2 שינויים ביכולת הניטריפיקציה של ביופילם בכל אזור תגובה אירובי תחת טמפרטורות תגובה שונות
כדי להעריך את השינויים בקיבולת הניטריפיקציה של מערכת שלושת-שלבי A/O-MBBR מנקודת מבט כוללת, נותחו קצב תרומת הניטריפיקציה NH₄⁺-N ויכולת הניטריפיקציה של הביופילם בכל אזור תגובה אירובי תחת טמפרטורות תגובה שונות, כשהתוצאות מוצגות באיורים 3 ו-4, בהתאמה.
איור 4 עומס הסרת ניטריפיקציה ועיקולי התאמה באזורים האירוביים של תתי-מערכות A/O-MBBR בשלב הראשון והשני תחת טמפרטורות תגובה שונות
מִןאיור 3, ניתן לראות שבתוך שלושת-שלבי A/O-MBBR מערכת, בשל שתי-השפעת הנקודות, אזורי התגובה O3 ו-O4 של -שלב A/O-MBBR הראשון ואזורי התגובה O7 ו-O8 של תת-המערכת הראשית של A/O{0}MB{0}MB{0} עומס ניטריפיקציה של המערכת. בתנאי טמפרטורה רגילים ובינוניים-נמוכים, השיעורי התרומה של NH₄⁺-N של שתי תת-מערכות אלו היו 43.1%, 49.6% ו-33.8%, 54.0%, בהתאמה. זה מראה שבתנאי טמפרטורה בינונית-נמוכה, שיעור תרומת הניטריפיקציה NH₄⁺-N של תת-המערכת- בשלב השני היה גבוה ב-20.2% מזה של תת-המערכת- בשלב הראשון.
מִןאיורים 4(א) ו-(ג), ניתן לראות כי עבור הסרטים הביולוגיים באזורי התגובה האירוביים O3 ו-O7 בטמפרטורה רגילה, הם אזורי התגובה העיקריים במערכת שלושת -שלבי A/O-MBBR לפירוק חומר אורגני בשילוב עם תפקוד ניטריפיקציה. כאשר עומס הסרת ה-SCOD לכל שטח פנים נושא (בקיצור "עומס הסרת SCOD", מחושב כ-COD) היה פחות מ-2.0 גרם/(מ²·ד) ועומס הניטריפיקציה לכל שטח פנים נושאת (בקיצור "עומס ניטריפיקציה", מחושב כ-N) היה פחות מ-1.6 גרם/(מ²-שטח העומס של הקרון), הקשר בין העומס של הסרת הנגר (בקיצור "עומס הסרת ניטריפיקציה", מחושב כ-N) ועומס הניטריפיקציה בעקבות תגובה לינארית-ראשונה, עם שיפועים של 0.83 ו-0.84, בהתאמה. כאשר עומס הניטריפיקציה עלה ל-1.6-6.0 גרם/(מ²·ד), הקשר בין עומס הסרת הניטריפיקציה לעומס הניטריפיקציה הגיע בעקבות תגובה מסדר -אפס, עם עומסי הסרת הניטריפיקציה הממוצעים המקבילים של 1.31 ו-1.34 גרם/(מ², בהתאמה), בהתאמה. כאשר עומס הסרת ה-SCOD היה 2.0-4.0 גרם/(m²·d) ועומס הניטריפיקציה היה 1.6-6.0 גרם/(m²·d), למרות שיחס התגובה מסדר אפס בין עומס הסרת הניטריפיקציה לעומס הניטריפיקציה נותר ללא שינוי, הירידה הממוצעת של הניטריפיקציה והעומס הממוצע של 9. 0.97 גרם/(m²·d), בהתאמה. עבור הסרטים הביולוגיים באזורי התגובה האירוביים O3 ו-O7 תחת טמפרטורה בינונית-נמוכה, כאשר עומס הסרת ה-SCOD היה פחות מ-2.0 גרם/(מ²·ד) ועומס הניטריפיקציה היה פחות מ-1.1 גרם/(מ²·ד), השיפועים הליניאריים של עומס הסרת הניטריפיקציה לעומת עומס הניטריפיקציה ירידה ו-01 בהתאמה ל-07. כאשר עומס הניטריפיקציה עלה ל-1.1-6.0 גרם/(m²·d), עומסי הסרת הניטריפיקציה הממוצעים התואמים ירדו ל-0.78 ו-0.94 גרם/(m²·d), בהתאמה, המייצגים ירידות של 40.4% ו-19.4% בהשוואה לתנאי טמפרטורה רגילים. כאשר עומס הסרת ה-SCOD עלה ל-2.0-4.0 גרם/(m²·d), עומסי הסרת הניטריפיקציה הממוצעים המתאימים ירדו ל-0.66 ו-0.91 גרם/(m²·d), בהתאמה, המייצגים ירידות של 30.5% ו-6.2% בהשוואה לתנאי טמפרטורה רגילים. יכולת הניטריפיקציה של הביופילם באזור התגובה O3 הייתה עקבית עם תוצאות המחקר של HEM וחב'. בתנאים מתאימים. עם זאת, ראוי לציין כי בתנאי טמפרטורה בינונית-נמוכה, בהשוואה לביופילם של אזור התגובה O3, הביופילם של אזור התגובה של O7 הציג יכולת ניטריפיקציה חזקה יותר.
מִןאיורים 4(ב) ו-(ד), ניתן לראות שעבור הסרטים הביולוגיים באזורי התגובה האירוביים O4 ו-O8 בטמפרטורה רגילה, הם אזורי התגובה במערכת שלושת -שלבי A/O-MBBR המשרתים בעיקר פונקציית ניטריפיקציה משלימה. כאשר עומס הסרת ה-SCOD היה פחות מ-1.0 גרם/(מ²·ד) ועומס הניטריפיקציה היה פחות מ-1.3 גרם/(מ²·ד), הקשר בין עומס הסרת הניטריפיקציה לעומס הניטריפיקציה בא בעקבות תגובה לינארית מסדר ראשון, עם שיפועים של 0.86 ו-0.88 בהתאמה. כאשר עומס הניטריפיקציה עלה ל-1.3-3.0 גרם/(מ²·ד), הקשר בין עומס הסרת הניטריפיקציה לעומס הניטריפיקציה הגיע בעקבות תגובה מסדר -אפס, עם עומסי הסרת הניטריפיקציה הממוצעים התואמים של 1.11 ו-1.13 גרם/(מ²) בהתאמה. בתנאי טמפרטורה בינונית-נמוכה, כאשר עומס הסרת ה-SCOD היה פחות מ-1.0 גרם/(מ²·ד) ועומס הניטריפיקציה היה פחות מ-1.0 גרם/(מ²·ד), השיפועים הליניאריים של עומס הסרת הניטריפיקציה לעומת עומס הניטריפיקציה ירדו ל-0.72 ו-0.84, בהתאמה. כאשר עומס הניטריפיקציה עלה ל-1.0-3.0 גרם/(מ²·ד), עומסי הסרת הניטריפיקציה הממוצעים התואמים היו 0.72 ו-0.86 גרם/(מ²·ד), בהתאמה, המייצגים ירידות של 35.1% ו-23.9% בהשוואה לתנאי טמפרטורה רגילים.
מהניתוח שלעיל, ניתן לראות שבטמפרטורות בינוניות-נמוכות, נקודות הפיתול של הקשר בין עומס הסרת ניטריפיקציה לעומס הניטריפיקציה עבור הביופילם בכל אזור תגובה התרחשו מוקדם יותר בהשוואה לטמפרטורה רגילה. תופעה זו תואמת יחסית את תוצאות המחקר של SAFWAT. בסך הכל, למרות שיכולת הניטריפיקציה של הביופילם בכל אזור אירובי של המערכת הראתה מגמת ירידה תחת טמפרטורות בינוניות-נמוכות,קיבולת הניטריפיקציה של הביופילם באזור התגובה O7 של תת-מערכת ה. זה מצביע על כך שהגדרת אזור התגובה-השלב השני במערכת שלושת-השלבי A/O-MBBR מועילה לשיפור קיבולת הניטריפיקציה הכוללת של המערכת.
2.3 שינויים בקיבולת דניטריפיקציה של ביופילם בכל אזור תגובה אנוקסית תחת טמפרטורות תגובה שונות
כדי להעריך את השינויים בקיבולת הדניטריפיקציה של מערכת שלושת-שלבי A/O-MBBR מנקודת מבט כוללת, מחקר זה ניתח את יכולת הדניטריפיקציה של הביופילם בכל אזור תגובה אנוקסית בטמפרטורות תגובה שונות, כשהתוצאות מוצגות באיור 5.
איור 5 עומס הסרת דניטריפיקציה בכל אזור אנוקסי של מערכת שלושת-שלבי A/O-MBBR תחת טמפרטורות תגובה שונות
מִןאיורים 5(א) ו-(ג), ניתן לראות שעבור אזורי התגובה האנוקסית A1 ו-A5, הם אזורי הדניטריפיקציה העיקריים במערכת שלושת -שלבי A/O-MBBR המשתמשת במקורות פחמן מים גולמיים כמצע. גם בתנאי טמפרטורה-נמוכים רגילים וגם בינוניים, כאשר יחס הפחמן-ל-הדניטריפיקציה האנוקסית המקביל (ΔCBSCOD / CNOx--N) היה גדול מ-5.0 ועומס הדניטריפיקציה לכל שטח פנים נושא (במקוצר "עומס דניטריפיקציה" NOx--N) היה פחות מ-0.95 גרם/(m²·d), הקשר בין עומס הסרת הדניטריפיקציה לכל שטח פנים נושא (בקיצור "עומס הסרת דניטריפיקציה", מחושב כ-NOx--N) לבין עומס הדניטריפיקציה{34} עם שיפוע{34} ראשון יותר של תגובה 0.87, 0.88 ו-0.82, 0.84, בהתאמה. כאשר עומס הדניטריפיקציה עלה מעל 0.95 גרם/(מ²·ד), הקשר בין עומס הסרת דניטריפיקציה לעומס דניטריפיקציה הגיע בעקבות תגובה מסדר אפס, עם עומסי הסרת דניטריפיקציה ממוצעים מקבילים של 0.82, 0.82 גרם/(מ²·ד) ו-0.78 גרם/ד, בהתאמה, (0.78 גרם)/י. ככל שה- ΔCBSCOD / CNOx--N ירד, נקודת הפיתול של הקשר בין עומס הסרת דניטריפיקציה לעומס דניטריפיקציה זזה קדימה, השיפוע הליניארי בתנאי עומס נמוך הראה מגמת ירידה, ובמקביל, עומס הסרת הדניטריפיקציה הממוצע בתנאי עומס גבוה הראה גם מגמה יורדת. תוצאות אלו מצביעות על כך שלדניטריפיקציה בביופילם באזורי התגובה A1 ו-A5 באמצעות מקורות פחמן מים גולמיים, יחס הפחמן-לחנקן הוא הגורם העיקרי הקובע את פונקציית הדניטריפיקציה, ובתנאי איכות המים הנבדקים, היחס האידיאלי של פחמן-לחנקן עבור אזורי התגובה האנוקסית A1 ו-A5 צריך להיות גדול מ-5.
מתוך איורים 5(ב) ו-(ד), ניתן לראות שעבור אזורי התגובה האנוקסית A2 ו-A6, מכיוון שאזורי התגובה האנוקסית A1 ו-A5 הסירו וצרכו את מקורות הפחמן בשפכים הגולמיים ואת רוב החנקה הנישאת על ידי זרימת המחזור, אזורי התגובה האנוקסית A2 ו-A6 היו חסרי עומס-לטווח ארוך במצע{7}. לכן, בתנאי טמפרטורה רגילים ובינוניים-נמוכים כאחד, כאשר ΔCBSCOD / CNOx--N היה בין 1.0-2.0 ועומס הדניטריפיקציה היה פחות מ-0.50 גרם/(מ²·ד), השיפועים הליניאריים של עומס הסרת הדניטריפיקציה לעומת עומס הדניטריפיקציה היו רק 0.40, 0.7, 0.7, 0.7, 0.7,0. בהתאמה. יתרה מכך, כאשר עומס הדניטריפיקציה עלה ל-0.50-1.50 גרם/(m²·d), עומסי הסרת הדניטריפיקציה הממוצעים התואמים היו רק 0.25, 0.20 ו-0.20, 0.17 גרם/(m²·d), בהתאמה. עם זאת, תוצאות הניסוי הסטטי במחקר זה הראו כי בתנאים של מספיק מקור פחמן ומצע חנקה, עומס הסרת הדניטריפיקציה של הביופילם באזורי התגובה האנוקסית A2 ו-A6 יכול להגיע ל-(0.66±0.14) ו-(0.68±0.11) g/(m²·d), בהתאמה. תוצאה זו משקפת שה-biofilm באזורי התגובה האנוקסית A2 ו-A6 למעשה מחזיקה ביכולת דניטריפיקציה חזקה יחסית, המוגבלת על ידי היעדר מקור פחמן ומצעי חנקה במערכת פיילוט זו.
מִןאיור 5(ה), ניתן לראות שעבור אזור התגובה האנוקסית A9, הוא נושא את עומס הדניטריפיקציה עבור כל הניטראט הזורם משני השלבים הראשונים של שלושת -שלבי A/O-MBBR מערכת ה-MBBR, תוך שימוש חיצוני בתוספת נתרן אצטט כמקור הפחמן לדניטריפיקציה. בתנאי טמפרטורה רגילים ובינוניים-נמוכים כאחד, כאשר ΔCBSCOD / CNOx--N היה גדול מ-5 ועומס הדניטריפיקציה היה פחות מ-2.5 גרם/(מ²·ד), הקשר בין עומס הסרת הדניטריפיקציה לעומס הדניטריפיקציה עקב אחר קו-תגובה ראשון, 9,0 ו-9,0. בהתאמה. עם זאת, ככל שה-ΔCBSCOD / CNOx--N ירד, השיפוע הליניארי של הקשר בין עומס הסרת דניטריפיקציה לעומס דניטריפיקציה הראה מגמת ירידה. תוצאה זו גם מצביעה על כך שלדניטריפיקציה בביופילם באזור התגובה A9 באמצעות מקור פחמן חיצוני, יחס הפחמן-לחנקן הוא גם הגורם העיקרי הקובע את פונקציית הדניטריפיקציה, כאשר יחס פחמן-חנקן דניטריפיקציה נדרש גדול מ-3. במקביל, ההשפעה של שינויי טמפרטורת התגובה על תפקוד הדניטריפיקציה שלו קטנה יחסית.
2.4 קיבולת ניטריפיקציה ומאפיינים מורפולוגיים של ביופילם בכל אזור תגובה אירובית בתנאים סטטיים של ניסוי
יכולת הניטריפיקציה של הביופילם בכל אזור תגובה אירובית בתנאי ניסוי סטטי מוצגת באיור 6. מאיור 6, ניתן לראות כי בטמפרטורה רגילה, יכולות הניטריפיקציה של הביופילם באזורי התגובה האירוביים O3, O4, O7 ו-O8 היו (1.37±0.21), (1.23±0.15), (1.40±0.20) ו-(1.25±(מ'²3) ג'/ד, בהתאמה, בהתאמה. בטמפרטורה בינונית-נמוכה, יכולות הניטריפיקציה של הביופילם באזורי התגובה האירוביים התואמים היו (1.07±0.01), (1.00±0.04), (1.08±0.09) ו-(1.03±0.05) g/(m²·d), בהתאמה, בירידה של 21.9%, ב-21.9%, בהתאמה 22.9%, ו-17.6% בהשוואה לטמפרטורה רגילה. תוצאות הניסוי הסטטי הללו תואמות את מגמת הערכים הנמדדים במערכת הפיילוט. יתר על כן, ניתן להבחין כי יכולת הניטריפיקציה הנמדדת של הביופילם בכל אזור אירובי בתנאי ניסוי סטטיים הייתה גבוהה במקצת מהערכים בפועל במערכת הפיילוט. הניתוח מייחס זאת לשימוש במצע חנקן אמוניום בודד ולתנאי חמצן מומסים קרובים-רווי גבוה במהלך הניסויים הסטטיים, מה שמוביל לרמה גבוהה יותר של יכולת ניטריפיקציה ביופילם. בטמפרטורה רגילה, יכולות הניטריפיקציה בפועל באזורי התגובה O3, O4, O7 ו-O8 של שלושת -שלבי A/O-מערכת MBBR היו 95.6%, 90.6%, 95.7% ו-90.4% מיכולת הניטריפיקציה המקסימלית בניסויים סטטיים בהתאמה. בטמפרטורה בינונית-נמוכה, יכולות הניטריפיקציה בפועל באזורי התגובה O3, O4, O7 ו-O8 ירדו ל-72.9%, 72.0%, 87.0% ו-84.5%, בהתאמה.
ניתוח נוסף הראה כי בטמפרטורה רגילה, שיעורי החמצון הספציפיים של אמוניה (קצב ניטריפיקציה ליחידת מסה MLVSS, מחושב כ-N) של הביופילם באזורי התגובה האירוביים O3, O4, O7 ו-O8 היו (0.062±0.0095), (0.059±0.0070), (0.0060), ו-0. (0.060±0.0063) g/(g·d), בהתאמה. בטמפרטורה בינונית-נמוכה, שיעורי חמצון האמוניה הספציפיים של הביופילם באזורי התגובה האירוביים O3 ו-O4 היו רק (0.046±0.0004) ו-(0.041±0.0016) g/(g·d), בהתאמה, ירידה של 25.8% ו-30% לעומת טמפרטורה רגילה. לעומת זאת, שיעורי חמצון האמוניה הספציפיים של הביופילם באזורי התגובה האירוביים O7 ו-O8 היו (0.062±0.0051) ו-(0.060±0.0029) g/(g·d), בהתאמה. בהשוואה לתנאי טמפרטורה רגילים, יכולת חמצון האמוניה של הביופילם של אזור התגובה O8 נותרה ללא שינוי, בעוד יכולת חמצון האמוניה של הביופילם של אזור התגובה האירובי O7 אף עלתה ב-3.3%. תוצאה זו מוכיחה כי בתנאי טמפרטורה בינונית-נמוכה, לביופילם באזור התגובה-השלב השני של מערכת הפיילוט יש קיבולת ניטריפיקציה טובה יותר ואת הרציונליות של תרומת המשנה של-השלב השני לניטריפיקציה הכוללת של המערכת.
תוצאות התצפית של מורפולוגיה הביולוגית בכל אזור תגובה אירובית של תתי-המערכת A/O-MBBR בשלב הראשון והשני מוצגות ב-איור 7. בטמפרטורה רגילה, עובי הביופילם באזורי התגובה האירוביים O3, O4, O7 ו-O8 היו (217.6±54.6), (175.7±38.7), (168.1±38.2) ו-(152.4±37.8) מיקרומטר, בהתאמה. בטמפרטורה בינונית-נמוכה, עובי הביופילם באזורי התגובה O3 ו-O4 היו (289.4±59.9) ו-(285.3±61.9) מיקרומטר, בהתאמה, המייצגים עליות של 33.0% ו-62.4% בהשוואה לעובי הביופילם בטמפרטורה רגילה. לעומת זאת, עובי הביופילם באזורי התגובה O7 ו-O8 היו (173.1±40.2) ו-(178.3±31.2) מיקרומטר, בהתאמה, ועלו רק ב-3.0% וב-17.0% בהשוואה לטמפרטורה רגילה. כמה מחקרים הראו כי לביופילם דק יותר יש יכולת חמצון אמוניה חזקה יותר, מה שעולה בקנה אחד יחסית עם תוצאות הניסוי של מחקר זה. הניתוח מייחס זאת לעובדה שחיידקים מחנקים בביופילם מופצים אנכית במבנה השכבתי של הביופילם; עובי ביופילם מוגזם מוביל להפחתת יעילות העברת המסה של המצע וזיקת המצע. יתרה מכך, בתנאי טמפרטורה בינונית-נמוכה, ריכוז החמצן המומס בכל אזור אירובי של מערכת הפיילוט היה נמוך בהרבה מזה שבכור הניסוי הסטטי (הבדל של 3.0-5.0 מ"ג/ליטר). במיוחד עבור הביופילמים העבים יותר באזורי התגובה O3 ו- O4, הירידה ביכולת העברת מסת החמצן בתוך הביופילם הובילה לירידה ביכולת הניטריפיקציה בפועל שלהם (רק כ-70% מיכולת הניטריפיקציה המקסימלית שנמדדה בתנאים סטטיים). לכן, עבור MBBR ביופילם טהור, יש צורך לשפר את חידוש הביופילם על ידי חיזוק עוצמת הגזירה ובקרה סבירה על עובי הביופילם כדי לשמור על יכולת הניטריפיקציה של ביופילם.
3. מסקנה
① בתנאים של טמפרטורת תגובה של 10-16 מעלות (טמפרטורה בינונית-נמוכה), קצב זרימת טיפול של (23.6±5.4) m³/d, ומינון מקור פחמן של 50-90 מ"ג/ליטר (מחושב כ-COD) באזור האנוקסי של תת-מערכת{}O{7}השלישית של מערכת A{7}, ריכוזי SCOD, NH₄⁺-N ו-TIN של קולחין של מערכת הפיילוט A/O-MBBR שלושת השלבים היו (26±6), (0.4±0.6) ו-(6.8±3.6) מ"ג/ליטר, בהתאמה, עםשיעורי הסרה ממוצעים מגיעים ל-82.3%, 99.0% ו-82.8%.
② בתנאי טמפרטורה בינונית-נמוכה, עקב הבדלים בביופילם של אזורי התגובה האירוביים בין תת-המערכת-השלב הראשון-השלב השני A/O-MBBR, נוצר הבדל בקיבולת הניטריפיקציה של הביופילם בין שתי תת-המערכות. במיוחד עבור תת-המערכת של-השלב הראשון A/O-MBBR, קיבולת הניטריפיקציה ירדה עקב עלייה בעובי הביולוגי. כדי לשמור על יכולת ניטריפיקציה ביופילם, יש צורך לשלוט באופן סביר בעובי הביופילם.
③ במערכת הפיילוט של שלושת-שלבי A/O-MBBR, ההשפעה של שינויי טמפרטורת התגובה על פונקציית הדניטריפיקציה הייתה קטנה יחסית. תחת טמפרטורות תגובה שונות, יחס הפחמן-ל-הניטריפיקציה תוך שימוש במים גולמיים כמקור הפחמן צריך להיות גדול מ-5, ויחס הפחמן-ל-הניטריפיקציה באמצעות נתרן אצטט המוסף חיצונית כמקור הפחמן צריך להיות גדול מ-3.