Rawatan Mikrob Dipertingkatkan Air Sisa Bawang Putih Menggunakan Proses MBBR + A/O
Gambaran keseluruhan
Air kumbahan bawang putihterutamanya berasal daripada proses menghiris dan membilas semasa pemprosesan bawang putih. Ia dicirikan olehkepekatan bahan organik yang tinggi, stahap nitrogen dan fosforus yang tidak ketara, dan mengandungi sejumlah besar allicin. Allicin (diallyl thiosulfinate) ialah cecair meruap yang bertanggungjawab terhadap bau pedas bawang putih dan secara kimia tidak stabil dan sangat reaktif. Allicin boleh menghalang pertumbuhan pelbagai mikroorganisma. Menyahcas-air sisa bawang putih berkepekatan tinggi tanpa rawatan menyebabkan kesan alam sekitar yang serius. Sesetengah penyelidik telah menggunakan teknik seperti penapisan membran, pengoksidaan Fenton dan mikro-elektrolisis, tetapi kaedah ini tidak berkesan untuk merawat air sisa bawang putih, dan penggunaan bahan kimia berdos yang besar meningkatkan kos rawatan seterusnya. Ramai sarjana telah mencadangkan kaedah rawatan biologi menggunakan proses gabungan aerobik-anaerobik. Walau bagaimanapun, disebabkan sifat antibakteria allicin, mikroorganisma sukar untuk ditanam, dan kecekapan rawatan tidak sesuai. Oleh itu, tumpuan rawatan biologi adalah untukmemupuk dan menyesuaikan strain mikrob yang mampu menyesuaikan diri dengan air sisa bawang putih dan untuk meningkatkan biodegradasi mereka.
Kajian ini melibatkan penanaman dan penyaringanstrain bakteria berkesan dalam merendahkan air sisa bawang putih, yang kemudiannya diperkenalkan ke dalam aReaktor Biofilem Katil Bergerak (MBBR). Menggunakan enap cemar diinokulasi dan kaedah pembentukan biofilem yang meningkat{1}}kadar aliran, biofilem telah ditubuhkan untuk meningkatkan penyingkiran nitrogen dan fosforus daripada air sisa. Ini diikuti dengan rawatan biokimia A/O (Anoxic/Oxic) selanjutnya. Menurut piawaian GB18918-2002, paras COD dan Ammonia Nitrogen (NH₃-N) efluen boleh memenuhi piawaian kedua (COD: 100 mg/L, NH₃-N: 25-30 mg/L). Proses ini berkesan mengurangkan kandungan organik dalam efluen, mengurangkan kesukaran peringkat rawatan seterusnya.
1. Bahagian Eksperimen
1.1 Reka Bentuk Aliran Proses
Aliran proses keseluruhan untuk rawatan air sisa bawang putih ditunjukkan dalamRajah 1, dengan komponen teras ialahbiodegradasi dalam sistem MBBR + A/O. Tiga strain yang disaring dan diasingkan berkesan dalam merendahkan air sisa bawang putih – Alcaligenes sp., Acinetobacter sp., dan Achromobacter sp. – telah dicampur dengan enap cemar diaktifkan dan dimasukkan ke dalam unit MBBR untuk memudahkan permulaannya-cepat.
1.2 Proses Rawatan MBBR + A/O
Selepas melalui skrin yang kasar dan halus untuk mengeluarkan pepejal terampai, air sisa bawang putih dipam terus ke dalam MBBR. Kualiti pengaruh ditunjukkan dalamJadual 1. Efluen daripada MBBR mengalir terus ke dalam sistem A/O. Oleh kerana kandungan organik rendah efluen MBBR, air sisa bawang putih mentah ditambah dengan sewajarnya ke dalam tangki Oxic (O) untuk menambah sumber karbon untuk proses A/O. Untuk menguji rintangan hentaman sistem, kadar pemuatan organik MBBR secara beransur-ansur meningkat semasa operasi berterusan, dan kualiti efluen dipantau.
1.3 Parameter Proses
1.3.1 Oksigen Terlarut (DO)
DO yang terlalu tinggi dalam biofilm boleh menghalang denitrifikasi, menyebabkan MBBR kehilangan keupayaan nitrifikasi dan denitrifikasi serentaknya. DO yang terlalu rendah boleh menyebabkan pembiakan bakteria berfilamen, menjejaskan kualiti efluen dan menghalang proses nitrifikasi.
1.3.2 Masa Pengekalan Hidraulik (HRT)
HRT yang terlalu pendek menyebabkan keadaan tindak balas yang sengit, di mana air sisa yang mengandungi kebanyakan bahan organik dibuang sebelum diserap sepenuhnya. Aliran masuk berterusan memastikan mikroorganisma dalam keadaan biodegradasi yang berterusan, mengurangkan kecekapan dan meningkatkan penggunaan tenaga. HRT yang terlalu lama membawa kepada kekurangan nutrien; tanpa nutrien, mikroorganisma mengurangkan aktiviti dan permintaan metabolik mereka untuk mengekalkan kelangsungan hidup.
1.3.3 Karbon-kepada-Nisbah Nitrogen (C/N)
Nisbah C/N yang rendah boleh membawa kepada pemangkinan penukaran ammonia kepada bahan lain, yang menjejaskan penyingkiran nitrogen ammonia. Ia juga mudah menyebabkan pukal berfilamen, pertumbuhan berterusan menjejaskan pemberbukuan, membawa kepada pukal enap cemar dan enap cemar terapung. Nisbah C/N yang tinggi tidak sesuai untuk biodegradasi dan pertumbuhan mikrob, meningkatkan beban organik pada mikroorganisma.
1.4 Permulaan Biofilem MBBR-.
Permulaan Biofilm-: Kaedah peningkatan kadar enapcemar + aliran-diinokulasi telah digunakan. MBR-enap cemar teraktif yang diperkaya telah diinokulasi ke dalam reaktor, dengan kepekatan awal Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS) kira-kira 5.82 g/L. Pengudaraan dimulakan, dan pembawa polietilena telah ditambah ke dalam reaktor dengan anisbah pengisian kira-kira 60%. TheLAKUKANdalam reaktor dikawalmelebihi 4.0 mg/L. Kadar aliran influen ditingkatkan secara berperingkat dalam kenaikan 20 L/j: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 L/j, dengan setiap kadar aliran dikekalkan selama 1 hari. Tiada enap cemar terbuang semasa fasa ini. Biofilm kuning muda terbentuk pada permukaan pembawa tempat mikroorganisma melekat dan membesar. Selepas biofilm berjaya dimulakan-, operasi stabil diteruskan, mengekalkan aMasa Pengekalan Enapcemar (SRT) selama 30 hari. Semasa operasi yang stabil, kadar pemuatan organik MBBR telah dilaraskan untuk melihat kesannya terhadap penyingkiran COD, nitrogen dan fosforus.
2. Keputusan dan Perbincangan
2.1 Analisis Kualiti Efluen MBBR Semasa Biofilm Mula-dimulakan
Keamatan pengudaraan dalam MBBR telah diselaraskan untuk mengawal kepekatan DO. Apabila DO berada di bawah 4.0 mg/L, keamatan pengudaraan tidak mencukupi untuk menyokong gerakan gelora-aliran tinggi yang seragam, menghalang pencampuran yang mencukupi dan menjadikannya sukar untuk membentuk biofilem pada permukaan pembawa. Apabila DO berada di antara 4.0–6.0 mg/L, pembawa bercampur sebati dengan enapcemar teraktif dan air sisa. Perubahan warna daripada putih kepada coklat kekuningan-pada pembawa telah diperhatikan, menunjukkan perlekatan dan pertumbuhan mikrob yang berjaya di bawah keamatan pengudaraan ini, seperti yang ditunjukkan dalamRajah 2.
Keluk variasi COD influen dan efluen semasa fasa permulaan-ditunjukkan dalamRajah 3(a). Penurunan awal dalam kecekapan rawatan adalah disebabkan oleh kuantiti yang sangat rendah mikroorganisma yang melekat pada pembawa; degradasi oleh mikroorganisma dalam enap cemar teraktif sahaja tidak mencukupi untuk mengeluarkan sejumlah besar organik. Apabila permulaan-berkembang, jumlah mikroorganisma yang melekat pada pembawa meningkat, secara beransur-ansur membentuk biofilem. Kepekatan COD efluen beransur-ansur stabil, dan kecekapan penyingkiran COD stabil melebihi 90%.
Keluk variasi bagi MBBR influen dan efluen NH₃-N ditunjukkan dalamRajah 3(b). Nitrifikasi oleh bakteria aerobik dalam enap cemar teraktif telah mengeluarkan nitrogen ammonia dengan berkesan. Bermula dari hari ke-7, kepekatan influen NH₃-N meningkat secara beransur-ansur. Menjelang hari ke-23, walaupun pengaruh NH₃-N masih meningkat, kadar penyingkiran juga meningkat. Ini kerana bakteria nitrifikasi tumbuh dengan perlahan pada mulanya; dari semasa ke semasa, populasi mereka meningkat, biofilm menjadi matang, dan kadar penyingkiran NH₃-N secara beransur-ansur meningkat dan stabil.
Keluk variasi MBBR influen dan efluen TN ditunjukkan dalamRajah 3(c). Tidak seperti penyingkiran nitrogen ammonia, kecekapan penyingkiran TN menurun pada mulanya. Ini kerana persekitaran reaktor mempunyai sumber oksigen dan karbon yang mencukupi, mengehadkan pertumbuhan bakteria denitrifikasi. Walau bagaimanapun, apabila biofilm terbentuk, kecekapan penyingkiran TN mula bertambah baik. Menjelang hari ke-20, walaupun kepekatan TN influen meningkat, TN efluen dan kadar penyingkiran stabil, antara 50%–60%.
Keluk variasi TP influen MBBR dan efluen ditunjukkan dalamRajah 3(d). Dari mula-sehingga operasi yang stabil, kadar penyingkiran TP kekal stabil. Walaupun kepekatan TP influen pada mulanya tinggi dan menurun kemudian, kecekapan penyingkiran tidak menunjukkan perubahan ketara, menunjukkan keupayaan sistem untuk penyingkiran fosforus. Kadar penyingkiran TP dalam sistem dikekalkan antara 80%–90%.
Secara ringkasnya,mengekalkan sistem MBBR DO antara 4–6 mg/L, biofilm matang yang terbentuk selepas 20 hari penyusuan berterusan. Berbanding dengan proses enapcemar teraktif tradisional, sistem MBBR menawarkan rintangan hentaman yang kuat dan kecekapan rawatan yang tinggi, dengan berkesan mengurangkan kesukaran peringkat rawatan berikutnya untuk air sisa pemprosesan bawang putih.
2.2 Analisis Kualiti Efluen Semasa Operasi Stabil
Selepas fasa permulaan-biofilem, biofilem itu matang. Untuk menguji rintangan hentaman sistem MBBR, kadar pemuatan organik terus meningkat semasa operasi yang stabil.
Keluk variasi bagi COD influen dan efluen MBBR semasa operasi stabil ditunjukkan dalamRajah 4(a). Dari hari 1–5, dengan aliran masuk yang berterusan, kecekapan penyingkiran COD kekal melebihi 95%, dan kepekatan COD efluen mencapai sekitar 100 mg/L. Dari hari 5–20, kadar aliran masuk ditingkatkan, secara beransur-ansur meningkatkan beban organik daripada 20 kgCOD/m³·d kepada 30 kgCOD/m³·d. Tiada perubahan ketara dalam kecekapan penyingkiran diperhatikan, dan COD efluen kekal antara 80–100 mg/L, menunjukkan rintangan hentaman yang kuat. Selepas hari ke-20, kadar aliran masuk ditingkatkan lagi, secara berterusan meningkatkan beban organik dalam reaktor daripada 30 kgCOD/m³·d kepada 37 kgCOD/m³·d, dikekalkan selama 5 hari. Kapasiti penyingkiran COD MBBR kekal melebihi 95%.
Rajah 4(b) dan (c)tunjukkan lengkung variasi untuk NH₃-N dan TN, masing-masing, semasa operasi stabil. Dari hari 1-5, dengan aliran masuk berterusan, biofilm MBBR mempamerkan nitrifikasi dan denitrifikasi serentak. Bakteria nitrifikasi aerobik yang melekat pada lapisan luar biofilem, bercampur sepenuhnya dengan air sisa di bawah pengudaraan, menggunakan sumber nitrogen yang ketara melalui nitrifikasi. Bakteria pendenitrifikasi dalam lapisan anoksik dalaman secara berkesan mengeluarkan nitrogen nitrat melalui penyahtelan. Dari hari 5–20, apabila kadar aliran masuk meningkat, kecekapan penyingkiran NH₃-N dan TN pada mulanya menurun dengan ketara. Selepas kira-kira 7 hari operasi berterusan, sistem secara beransur-ansur menyesuaikan diri. Walaupun kecekapan penyingkiran untuk NH₃-N dan TN kemudian meningkat, ia kekal lebih rendah berbanding semasa tempoh aliran-rendah. Di bawah aliran masuk yang berterusan, penyingkiran NH₃-N mencapai lebih 90%, dengan efluen NH₃-N antara 10–15 mg/L, dan penyingkiran TN pada asasnya dikekalkan melebihi 80%, dengan TN efluen sekitar 30 mg/L. Selepas meningkatkan aliran masuk dan sistem mencapai keseimbangan baharu di bawah impak berterusan, penyingkiran NH₃-N stabil sekitar 80%, dengan efluen NH₃-N antara 50–70 mg/L dan penyingkiran TN sekitar 60%, dengan TN efluen di bawah 50 mg/L.
Lengkung variasi untuk TP semasa operasi stabil ditunjukkan dalamRajah 4(d). Kepekatan TP efluen pada asasnya dikekalkan sekitar 10 mg/L. Pada mulanya, dengan aliran rendah berterusan dan kepekatan TP influen rendah, kesan rawatan adalah terhad. Apabila kadar aliran masuk dan kepekatan TP pengaruh meningkat, kecekapan rawatan yang tinggi telah dicapai sepanjang fasa impak dan operasi beban tinggi-seterusnya, dengan kadar penyingkiran TP turun naik sekitar 90%.
Secara ringkasnya,di bawah kejutan pemuatan organik yang tinggi, kecekapan penyingkiran COD sistem sebahagian besarnya kekal tidak berubah, tetapi penyingkiran NH₃-N dan TN menurun dengan lebih ketara. Apabila pemuatan organik mencapai maksimum 37 kgCOD/m³·d, kecekapan penyingkiran sistem untuk NH₃-N dan TN menurun dengan ketara.
2.3 Analisis Kualiti Efluen Sistem MBBR + A/O
Selepas fasa permulaan-biofilem dan satu bulan operasi yang stabil, proses A/O telah ditambahkan ke hiliran untuk rawatan lanjutan bagi efluen MBBR. Peningkatan kecerunan dalam kadar aliran masuk digunakan untuk meningkatkan beban organik keseluruhan, bertujuan untuk menentukan kadar aliran masuk optimum, sepadan dengan HRT optimum.
Keluk variasi COD ditunjukkan dalamRajah 5(a). Kadar aliran masuk meningkat secara berurutan: 100, 120, 130, 150, 170 L/j. Dari permulaan hingga kadar aliran maksimum, pemuatan organik pada sistem MBBR meningkat daripada 20 kgCOD/m³·d kepada 37 kgCOD/m³·d. Efluen akhir daripada sistem gabungan kekal stabil, dengan kepekatan COD di bawah 100 mg/L. Di bawah kejutan pemuatan organik tinggi yang berterusan, sistem MBBR menunjukkan prestasi yang baik, walaupun COD efluennya menunjukkan sedikit peningkatan apabila kadar aliran mencapai 150 L/j. Selepas mengekalkan kadar aliran 170 L/j selama beberapa hari, aliran menaik yang ketara dalam COD efluen MBBR telah diperhatikan. Walau bagaimanapun, dengan proses A/O yang seterusnya, efluen sistem gabungan terakhir masih dikekalkan di bawah 100 mg/L. Ini menunjukkan bahawa walaupun di bawah kejutan pemuatan organik yang tinggi sebanyak 37 kgCOD/m³·d, proses gabungan masih mempunyai kesan penyingkiran yang kuat pada air sisa pemprosesan bawang putih.
Lengkung variasi untuk NH₃-N dan TN ditunjukkan dalamRajah 5(b) dan (c), masing-masing. Air sisa pemprosesan bawang putih mempunyai kepekatan tinggi ammonia nitrogen dan jumlah nitrogen, yang boleh terus meningkat dari semasa ke semasa akibat pengoksidaan. Biasanya, kepekatan nitrogen ammonia berjulat dari 300–500 mg/L, dan jumlah nitrogen dari 450–600 mg/L. Di bawah nitrifikasi dan denitrifikasi serentak dalam MBBR, penyingkiran nitrogen ammonia adalah lebih berkesan, mungkin kerana bakteria nitrifikasi menggunakan air sisa dengan lebih cekap di bawah pengudaraan. Bakteria pendenitrifikasi memerlukan keadaan anoksik dan selalunya bergantung pada karbon organik yang digunakan untuk penyahtelan. Apabila meningkatkan kadar aliran masuk, kecekapan penyingkiran NH₃-N dan TN ialah pertimbangan utama. Dari hari 1–4, disebabkan oleh kadar aliran rendah dan NH₃-N yang sederhana, kadar penyingkiran NH₃-N kekal melebihi 90% dan kecekapan penyingkiran TN meningkat secara beransur-ansur. Selepas itu, kadar aliran masuk telah meningkat dengan ketara. Jelas diperhatikan bahawa apabila kadar aliran masuk meningkat, kepekatan efluen NH₃-N dan TN pada peringkat yang berbeza meningkat secara berurutan, dengan kadar aliran masuk yang lebih tinggi membawa kepada kepekatan efluen yang lebih tinggi. Apabila kadar aliran meningkat, biojisim pada pembawa biofilem meningkat, meningkatkan nitrifikasi, di mana nitrogen ammonia dioksidakan oleh bakteria nitrifikasi kepada nitrat dan nitrit di bawah oksigen.
Keluk variasi kepekatan TP ditunjukkan dalamRajah 5(d). Memandangkan kepekatan COD dan TN influen yang tinggi, kepekatan TP optimum teori untuk pertumbuhan mikrob adalah melebihi 100 mg/L. Walau bagaimanapun, kepekatan TP yang berpengaruh adalah jauh di bawah keperluan teori ini. Oleh itu, kepekatan TP efluen MBBR kekal sekitar 10 mg/L, dan kepekatan TP efluen sistem gabungan terakhir dikekalkan antara 2-3 mg/L.
Ciri-ciri enap cemar sistem MBBR dan sistem A/O berikutnya sebelum dan selepas operasi diukur, seperti yang ditunjukkan dalamJadual 2.
Secara ringkasnya,apabila kadar aliran dinaikkan kepada 150 L/j, kadar penyingkiran untuk COD, NH₃-N, TN dan TP adalah lebih tinggi daripada kadar aliran lain. HRT pada kadar aliran ini ialah 27 jam. Tambahan pula, kepekatan enap cemar dalam kedua-dua sistem MBBR dan A/O meningkat dengan ketara selepas operasi.
3. Kesimpulan
Selepas pembentukan biofilm dalam MBBR, kecekapan penyingkiran untuk COD, NH₃-N, TN dan TP adalah stabil. Selama sebulan operasi berterusan dalam keadaan stabil, penyingkiran COD mencapai lebih 95%, penyingkiran NH₃-N dan TN stabil sekitar 80% dan penyingkiran TP stabil sekitar 90%.
Efluen MBBR telah dirawat selanjutnya dalam sistem A/O. Proses gabungan boleh menahan beban organik sehingga 37 kgCOD/m³·d. Operasi optimum untuk keseluruhan proses adalah di bawah HRT selama 27 jam. COD efluen akhir stabil di bawah 100 mg/L, NH₃-N antara 10–20 mg/L, TN di bawah 30 mg/L, dan TP di bawah 10 mg/L. Kepekatan enap cemar dalam sistem MBBR selepas operasi ialah 8.5 g/L, dan dalam sistem A/O ialah 4.1 g/L, kedua-duanya jauh lebih tinggi daripada sebelum operasi, menunjukkan peningkatan yang ketara dalam biojisim mikrob. Paras nitrogen COD dan ammonia selepas rawatan biologi memenuhi piawaian pelepasan sekunder GB18918-2002. Untuk rawatan lanjut, teknologi pengoksidaan termaju Fenton boleh digunakan untuk rawatan mendalam bagi efluen yang dirawat secara biologi untuk mencapai standard pelepasan tahap pertama.