Kesan Teknologi Gabungan A2O-MBBR + CWs untuk Merawat Air Sisa Domestik Luar Bandar
Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, negeri ini telah menggalakkan strategi pembangunan pemulihan luar bandar secara mendalam, menumpukan pada peningkatan persekitaran hidup, dan meletakkan permintaan yang lebih tinggi terhadap rawatan air sisa domestik luar bandar. Pada masa ini, proses utama untuk rawatan air sisa domestik luar bandar termasuk kaedah biologi, kaedah ekologi, dan proses gabungan, yang kebanyakannya berasal daripada rawatan air sisa bandar. Walau bagaimanapun, kawasan luar bandar dicirikan oleh populasi yang berselerak, membawa kepada pelbagai masalah seperti serakan air sisa yang tinggi, kesukaran dalam pengumpulan, skala rawatan yang kecil, kadar penggunaan sumber yang rendah, dan kemudahan rawatan yang tidak mencukupi. Tambahan pula, perbezaan ketara wujud dalam kualiti dan kuantiti air sisa, lokasi geografi, iklim dan tahap ekonomi merentas wilayah, menjadikannya sukar untuk menyeragamkan teknologi rawatan; penggunaan mudah teknologi rawatan air sisa bandar tidak dapat dilaksanakan. Infrastruktur untuk pengumpulan air sisa, seperti rangkaian pembetung, selalunya tidak mencukupi di kawasan luar bandar. Pengumpulan air sisa mudah terjejas oleh limpahan pembetung gabungan dan penyusupan air bawah tanah, mengakibatkan kepekatan organik yang rendah dalam air sisa dan meningkatkan kesukaran untuk penyingkiran nitrogen biologi. Turun naik yang besar dalam kualiti dan kuantiti air sisa di kawasan luar bandar menyukarkan untuk mengekalkan kepekatan biojisim yang stabil di kemudahan rawatan. Selain itu, suhu musim sejuk yang rendah mengehadkan kapasiti rawatan biologi, membawa kepada kecekapan rendah dan kualiti efluen yang tidak stabil yang terdedah kepada melebihi piawaian dalam proses enapcemar teraktif tradisional. Oleh itu, terdapat keperluan mendesak untuk membangunkan teknologi rawatan air sisa yang sesuai untuk keadaan tempatan, dengan rintangan yang kuat terhadap beban kejutan, operasi jangka panjang-yang stabil, penggunaan tenaga yang rendah dan kecekapan rawatan yang tinggi.
Kawasan luar bandar di China cenderung lebih suka -kos rendah, mudah-untuk-menguruskan teknologi rawatan air sisa domestik, dengan proses gabungan biologi + ekologi menjadi hala tuju penyelidikan utama. Pada masa ini, peralatan rawatan air sisa berpakej bersepadu yang digunakan secara meluas di kawasan luar bandar terutamanya menggunakan proses seperti Anaerobik-Anoxic-Oxic (A2O) dan Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Kajian menunjukkan bahawa proses MBBR lebih bergantung pada reka bentuk kemudahan berbanding kawalan operasi yang tepat, tidak memerlukan kakitangan teknikal profesional untuk peraturan, menjadikannya mudah untuk operasi dan penyelenggaraan. Ini lebih sesuai untuk keperluan praktikal rawatan air sisa domestik luar bandar di mana kakitangan teknikal adalah terhad. Kelebihannya termasuk kepekatan biojisim yang tinggi, rintangan kuat terhadap beban kejutan, kecekapan rawatan yang tinggi, dan jejak kecil. Penyelidikan oleh Luo Jiawen et al. menunjukkan bahawa penambahan media MBBR pada proses A2O boleh meningkatkan kapasiti rawatan air sisanya dengan ketara. Zhou Zhengbing et al., dalam projek air sisa domestik luar bandar yang sebenar, mereka bentuk proses gabungan dua-anaerobik/anoksik-penapis berudara biologi, mencapai kualiti efluen yang stabil yang memenuhi standard Gred A GB 18918-2002 "Standard Loji Rawatan Air Sisa Perbandaran untuk Loji Rawatan Sisa Perbandaran. Selain itu, Tanah Lembap Terbina (CW) sering digunakan untuk rawatan air sisa domestik luar bandar. Contohnya, Zhang Yang et al. menggunakan biochar sebagai pengisi untuk mengubah suai tanah lembap yang dibina, mencari kadar penyingkiran untuk TN, TP, dan COD masing-masing boleh mencapai 99.41%, 91.40% dan 85.09%. Penyelidikan terdahulu oleh kumpulan kami juga menunjukkan bahawa pengisi biochar enap cemar boleh meningkatkan prestasi penyingkiran nitrogen dan fosforus bagi tanah lembap yang dibina, meningkatkan kecekapan dan keberkesanan rawatan keseluruhan sistem, dan menjadikan sistem lebih tahan terhadap beban kejutan. Berdasarkan penyelidikan di atas, untuk meneroka teknologi gabungan yang sesuai untuk rawatan air sisa domestik luar bandar dan menangani cabaran seperti kesukaran mengekalkan kepekatan biojisim yang stabil, rintangan lemah terhadap beban kejutan dan kualiti efluen yang terdedah kepada turun naik dan melebihi piawaian dalam kemudahan rawatan air sisa luar bandar, pengarang meletakkan A2O-proses MBBR terintegrasi dengan{3}3}pembawa terintegrasi dengan{3}pembawa tetap yang digantung, mengisinya{3} persekitaran enapcemar teraktif (IFAS), meningkatkan kepekatan enapcemar sistem dan meningkatkan kecekapan rawatan. Memandangkan penggunaan ekologi tanah terbiar yang tersedia seperti kolam dan lekukan di kawasan luar bandar, dan menggabungkan tanah lembap yang dibina sebagai proses rawatan penggilap, kaedah seperti menggunakan pengisi biochar enap cemar, peredaran semula cecair nitrifikasi, dan menanam tumbuhan terendam telah digunakan untuk meningkatkan kestabilan operasi tanah lembap komposit. Oleh itu, proses gabungan A2O-MBBR + CW telah dibina.
Dalam kajian ini, menggunakan air sisa mentah daripada loji rawatan air sisa kampung di Hefei sebagai objek rawatan, persediaan percubaan berskala perintis bagi proses gabungan A2O-MBBR + CW telah dibina. Pengaruh perubahan suhu air bermusim ke atas prestasi rawatannya telah disiasat. Penunjuk pencemar dalam influen dan efluen dipantau semasa operasi untuk meneroka kecekapan penyingkiran dan kestabilan operasi. Pada masa yang sama, kebolehlaksanaan ekonomi proses itu dianalisis. Matlamatnya adalah untuk menyediakan rujukan data dan asas untuk aplikasi teknologi gabungan tanah lembap yang dibina A2O + dalam projek rawatan air sisa domestik luar bandar di China, dan untuk menawarkan rujukan untuk mempromosikan rawatan air sisa domestik dan membina kampung yang cantik dan boleh didiami secara ekologi di kawasan luar bandar.
1. Persediaan Eksperimen dan Kaedah Penyelidikan
1.1 Aliran Proses Gabungan
Percubaan proses gabungan A2O-MBBR + CWs menggunakan operasi siri unit A2O, tanah lembap aliran bawah permukaan-berasaskan karbon dan kolam ekologi. Unit A2O terdiri daripada tangki sentuhan anoksik-anaerobik dan tangki membran aerobik (MBBR). Kedua-dua tangki anaerobik yang keliru dan zon pengudaraan tangki MBBR aerobik telah diisi dengan media pembawa biofilem yang digantung untuk menyediakan permukaan lampiran untuk mikroorganisma membentuk biofilem. Enapcemar teraktif dan biofilem dalam tangki wujud bersama, membentuk sistem IFAS, yang boleh mengekalkan biojisim sistem secara stabil. Tangki anoksik yang keliru meningkatkan proses denitrifikasi melalui peredaran semula cecair nitrifikasi. Tangki MBBR aerobik mempunyai sistem pengudaraan di bahagian bawah untuk meningkatkan prestasi nitrifikasinya. Port dos Poly Aluminium Chloride (PAC) telah ditetapkan di dalam tangki untuk penyingkiran fosforus kimia tambahan, membolehkan penyingkiran fosforus yang cekap. Unit CW termasuk tanah lembap aliran bawah permukaan-berasaskan karbon dan kolam ekologi tumbuhan yang tenggelam. Tanah lembap yang dibina-berasaskan karbon menggunakan sistem penapisan-tiga peringkat. Cakera pengudaraan dipasang di bahagian bawah zon pengisi untuk mencuci belakang media untuk mengurangkan penyumbatan. Kolam ekologi tumbuhan yang tenggelam mempunyai lapisan substrat batu kapur di bahagian bawah dan ditanam dengan-tumbuhan terendam yang tahan sejuk Vallisneria natans dan Potamogeton crispus. Persediaan diletakkan di luar rumah. Termometer dipasang di kolam ekologi untuk memantau perubahan suhu air bermusim. Aliran proses terperinci bagi proses gabungan A2O-MBBR + CWs ditunjukkan dalamRajah 1.
1.2 Reka Bentuk Persediaan dan Parameter Operasi
Persediaan eksperimen telah dibina menggunakan plat polipropilena setebal 10 mm. Tangki anaerobik yang keliru telah diisi dengan media pembawa biofilem persegi dan mengandungi plat penyekat. Nisbah edaran semula minuman keras campuran untuk tangki anoksik yang keliru ialah 50%~150%, dan ia juga mengandungi plat penyekat. Tangki MBBR aerobik dibahagikan dengan penyekat kepada zon pengudaraan aerobik dan zon pemendapan. Zon pengudaraan telah diisi dengan media pembawa yang digantung MBBR dengan nisbah udara-ke-air 6:1~10:1. Zon pemendapan mempunyai pelabuhan dos PAC dan plat condong untuk bantuan pemendapan. Tanah lembap aliran bawah permukaan-berasaskan karbon: zon pengisi primer diisi dengan batu kapur (~5 cm diameter), zon pengisi sekunder dengan zeolit (~3 cm diameter) dan zon pengisi tertier dengan pengisi biochar enap cemar (~0.5~1.0 cm diameter). Ketinggian pengisi bagi setiap zon ialah 75 cm. Zon jurang kira-kira 4 cm lebar telah ditetapkan antara zon pengisi primer dan sekunder untuk fungsi seperti menambah sumber karbon luaran, pemerhatian dan penyelenggaraan/pengosongan (tiada sumber karbon ditambah semasa eksperimen ini). Kolam ekologi tumbuhan yang tenggelam telah diisi dengan pengisi batu kapur (~ 3 cm diameter) pada ketinggian 20 cm. Tanaman terendam ditanam pada jarak baris 10 cm dan jarak tanaman 10 cm. Percubaan menggunakan air sisa mentah dari loji rawatan air sisa kampung di Hefei sebagai pengaruh. Tempoh percubaan adalah dari 25 Mei 2022 hingga 17 Januari 2023, berjumlah 239 hari. Tumbuhan terendam dituai sekali pada 2 Disember, dengan kekerapan kira-kira sekali setiap 6 bulan. Kapasiti rawatan air sisa yang direka adalah 50~210 L/d. Parameter reka bentuk terperinci bagi persediaan ditunjukkan dalamJadual 1.
1.3 Kaedah Eksperimen
1.3.1 Reka Bentuk Eksperimen
1.3.1.1 Ujian Kapasiti Rawatan Air Sisa Optimum
Selepas operasi percubaan yang berjaya bagi persediaan percubaan (kualiti efluen yang stabil), ujian kapasiti rawatan air sisa yang optimum telah dijalankan dari 25 Mei 2022, hingga 30 Jun 2022. Di bawah syarat mengekalkan nisbah udara-ke-air tangki aerobik sebanyak 6:1, nisbah peredaran semula cecair nitrifikasi PAC (Al28%) PAC (Al28%) kandungan aerobik dan penggunaan PAC (Al28%) aerobik. 3.7 g/d, kapasiti rawatan air sisa persediaan telah meningkat secara beransur-ansur (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 L/d). Perubahan dalam kualiti efluen dipantau untuk meneroka kapasiti rawatan air sisa optimum bagi persediaan. Dalam tempoh ini, suhu air berubah antara 24.5~27.1 darjah . Untuk memastikan pematuhan efluen yang stabil pada musim sejuk, piawaian efluen yang diguna pakai ialah standard Gred A GB 18918-2002 "Piawaian Pencemar Pencemar untuk Loji Rawatan Air Sisa Perbandaran".
1.3.1.2 Ujian Prestasi Rawatan Keseluruhan Proses Gabungan
Tempoh ujian adalah dari 1 Julai 2022, hingga 17 Januari 2023. Kapasiti rawatan air sisa optimum ditetapkan pada 120 L/d. Nisbah udara tangki aerobik-ke-air ialah 6:1~10:1, dan nisbah peredaran semula minuman keras campuran ialah 50%~150%. Penunjuk kualiti air efluen dan efluen (TN, TP, NO3--N, NH4+-N dan COD) daripada setiap unit proses telah dipantau. Perubahan suhu air semasa tempoh ujian (dipengaruhi oleh iklim bermusim) telah direkodkan. Prestasi rawatan proses gabungan A2O-MBBR + CWs untuk air sisa domestik luar bandar telah dianalisis dan pengaruh perubahan suhu air bermusim ke atas prestasi proses gabungan telah disiasat.
1.3.2 Persampelan
Semasa tempoh ujian, sampel telah diambil secara tidak teratur (kira-kira 1~2 kali seminggu) untuk ujian kualiti air. Sampel dikumpulkan daripada influen persediaan, efluen tangki anoksik-anaerobik keliru, efluen tangki MBBR aerobik, efluen tanah lembap aliran bawah permukaan-karbon dan efluen kolam ekologi tumbuhan tenggelam. Sampel influen telah diambil dari paip masuk persediaan, dan sampel efluen dari alur keluar setiap unit. Ujian penunjuk kualiti air telah selesai pada hari pensampelan yang sama. Penunjuk yang diuji termasuk TN, TP, NO3--N, NH4+-N dan COD. Setiap kali sampel diambil, bacaan suhu air daripada termometer di kolam ekologi direkodkan (berbeza antara 0~32 darjah ). Suhu air di kolam ekologi berubah secara semula jadi dengan perbezaan suhu bermusim. Piawaian efluen yang direka bentuk untuk persediaan eksperimen mengikut piawaian Gred A DB 34/3527-2019 "Piawaian Pelepasan Bahan Pencemar Air untuk Kemudahan Rawatan Air Sisa Domestik Luar Bandar". Kepekatan influen yang direka bentuk dan piawaian efluen diperincikan dalamJadual 2.
1.3.3 Kaedah Analisis Kualiti Air
Kepekatan TN dalam sampel air ditentukan menggunakan HJ 636-2012 "Kualiti air - Penentuan jumlah nitrogen - Alkali potassium persulfate digestion kaedah spektrofotometri UV". TIDAK3--Kepekatan N ditentukan menggunakan HJ/T 346-2007 "Kualiti air - Penentuan nitrogen nitrat - Spektrofotometri ultraungu (Percubaan)". NH4+-Kepekatan N ditentukan menggunakan HJ 535-2009 "Kualiti air - Penentuan ammonia nitrogen - spektrofotometri reagen Nessler". COD ditentukan menggunakan HJ 828-2017 "Kualiti air - Penentuan permintaan oksigen kimia - Kaedah dikromat". Kepekatan TP ditentukan menggunakan GB 11893-1989 "Kualiti air - Penentuan jumlah fosforus - kaedah spektrofotometri ammonium molibdat".
2. Keputusan dan Perbincangan
2.1 Pengaruh Kapasiti Rawatan Air Sisa terhadap Prestasi Proses Gabungan
Seperti yang ditunjukkan dalamRajah 2 (a)(b), apabila kapasiti rawatan air sisa harian meningkat secara beransur-ansur daripada 50 L/h kepada 210 L/h, kecekapan penyingkiran TN dan NH4+-N oleh setiap unit proses gabungan menunjukkan arah aliran menurun. Kadar penyingkiran TN menurun daripada 91.55% (50 L/h) kepada 52.17% (210 L/h), dan NH4+-Kadar penyingkiran N menurun daripada 97.47% (70 L/h) kepada 80.68% (210 L/h). Ini kerana peningkatan kapasiti rawatan air sisa harian mengurangkan masa pengekalan hidraulik, memendekkan masa yang tersedia untuk mikroorganisma merendahkan bahan pencemar, mengakibatkan prestasi rawatan yang lebih lemah. Antaranya, unit A2O menyumbang paling banyak kepada TN dan NH4+-N penyingkiran. Purata kepekatan TN influen untuk unit ini ialah 38.68 mg/L, efluen ialah 16.87 mg/L, dengan kadar penyingkiran 56.29%. Purata pengaruh NH4+-Kepekatan N ialah 36.29 mg/L, efluen ialah 5.50 mg/L, dengan kadar penyingkiran 84.85%. Untuk tanah lembap aliran bawah permukaan-berasaskan karbon, purata kepekatan TN influen ialah 16.87 mg/L, efluen ialah 11.96 mg/L, dengan kadar penyingkiran 29.10%. Bagi kolam ekologi tumbuhan terendam, purata kepekatan TN influen ialah 11.96 mg/L, efluen ialah 9.47 mg/L, dengan kadar penyingkiran 20.82%. Prestasi penyingkiran nitrogen tanah lembap aliran bawah permukaan-berasaskan karbon adalah lebih baik daripada kolam ekologi kerana persekitaran anoksik-anaerobik tanah lembap aliran bawah permukaan lebih sesuai untuk denitrifikasi. Walau bagaimanapun, NH4+-Prestasi N penyingkiran kolam ekologi adalah lebih baik daripada tanah lembap aliran bawah permukaan. Purata pengaruh NH4+-Kepekatan N untuk tanah lembap aliran bawah permukaan berasaskan karbon- ialah 5.50 mg/L, efluen ialah 4.04 mg/L, dengan kadar penyingkiran hanya 26.53%. Bagi kolam ekologi, purata influen NH4+-Kepekatan N ialah 4.04 mg/L, efluen ialah 2.38 mg/L, dengan kadar penyingkiran 41.07%. Ini kerana persekitaran aerobik kolam ekologi lebih sesuai untuk nitrifikasi, menukarkan lebih banyak NH4+-N ke NO3--N, menghasilkan NH yang lebih tinggi4+-Kadar penyingkiran N. Apabila kapasiti rawatan air sisa mencapai 150 L/d, kepekatan TN efluen ialah 15.11 mg/L, melebihi standard Gred A GB 18918-2002. Oleh itu, untuk memastikan pematuhan TN yang stabil, kapasiti rawatan air sisa maksimum ialah 120 L/d. Apabila kapasiti rawatan air sisa mencapai 210 L/d, efluen NH4+-Kepekatan N ialah 7.07 mg/L, melebihi standard Gred A GB 18918-2002. Oleh itu, kapasiti rawatan air sisa maksimum untuk NH4+-N pematuhan ialah 180 L/h.
Seperti yang ditunjukkan dalamRajah 2 (c), purata COD pengaruh adalah di bawah 100 mg/L, menunjukkan kandungan organik yang rendah. Peningkatan kapasiti rawatan air sisa tidak menjejaskan penyingkiran COD dengan ketara, dengan kadar penyingkiran COD antara 75%~90%. Memandangkan kapasiti rawatan air sisa meningkat daripada 50 L/h kepada 210 L/h, purata COD efluen ialah 19.16 mg/L, dengan COD efluen maksimum 26.07 mg/L, masih jauh di bawah standard 50 mg/L GB 18918-2002 kerana unit aerob aerobik paling banyak menyumbang kepada unit aerobik A2O. Tangki MBBR mencipta persekitaran aerobik, meningkatkan kapasiti biokimia mikroorganisma aerobik dan mengukuhkan penyingkiran COD. Selain itu, peredaran semula cecair nitrifikasi dalam unit A2O membenarkan tangki anoksik yang keliru untuk terus menggunakan bahan organik dalam air sisa sebagai sumber karbon, mengeluarkan sebahagian COD sambil meningkatkan penyahtindahan. Tanah lembap aliran bawah permukaan berasaskan karbon{18}}menyumbangkan kedua terbanyak kepada penyingkiran COD. Persekitaran anaerobik-anoksiknya kondusif untuk menggunakan bahan organik dalam air buangan sebagai sumber karbon, merendahkan sebahagian daripada organik sambil meningkatkan denitrifikasi, itulah sebabnya ia mempunyai penyingkiran TN yang lebih baik. Tambahan pula, lapisan substrat tanah lembap aliran bawah permukaan boleh menyerap beberapa bahan organik. Kolam ekologi mempunyai kesan terhad terhadap degradasi COD. Purata COD influen untuk kolam ekologi ialah 22.21 mg/L, dan organik yang paling mudah terbiodegradasi telah pun terdegradasi, meninggalkan organik yang lebih sukar untuk terurai.
Seperti yang ditunjukkan dalamRajah 2 (d), apabila kapasiti rawatan air sisa meningkat, kepekatan TP efluen kekal stabil. Peningkatan kapasiti rawatan air sisa tidak menjejaskan penyingkiran TP dengan ketara. Purata kepekatan TP influen ialah 3.7 mg/L, dan purata kepekatan efluen ialah 0.18 mg/L, dengan kadar penyingkiran purata 95.14%, menunjukkan penyingkiran TP yang baik. TP telah dikeluarkan terutamanya dalam unit A2O. Kepekatan TP influen untuk unit A2O ialah 3.7 mg/L dan efluen hanya 0.29 mg/L, lebih baik daripada piawaian 0.5 mg/L GB 18918-2002 Gred A. Ini kerana unit A2O bukan sahaja mempunyai penyingkiran fosforus biologi (PAKUmulasi organisma kimia tambahan oleh fosforus-akumulasi) penyingkiran fosforus dengan dos 3.7 g/d PAC. Gabungan penyingkiran fosforus biologi dan kimia mengakibatkan lebih 90% fosforus dikeluarkan dalam unit A2O. Tanah lembap aliran bawah permukaan dan kolam ekologi bergantung terutamanya pada mekanisme seperti penjerapan substrat, pemendapan, pengambilan tumbuhan, dan degradasi mikrob untuk penyingkiran fosforus. Selain itu, kepekatan TP yang memasuki tanah lembap sudah serendah 0.29 mg/L, menjadikan penyingkiran selanjutnya lebih sukar. Sebab gabungan ini membawa kepada prestasi penyingkiran TP umum tanah lembap dan kolam ekologi.
Oleh itu, untuk memastikan pematuhan yang stabil bagi semua penunjuk efluen dengan standard GB 18918-2002 Gred A, kapasiti rawatan air sisa optimum untuk proses ini ditentukan ialah 120 L/d.
2.2 Prestasi Penyingkiran Pencemaran Proses Gabungan
2.2.1 Prestasi Penyingkiran COD
Seperti yang ditunjukkan dalamRajah 3, semasa keseluruhan tempoh ujian prestasi rawatan (1 Julai 2022, hingga 17 Januari 2023, kapasiti rawatan air sisa 120 L/d), suhu air menunjukkan trend menurun yang turun naik, menurun daripada 32 darjah kepada 0 darjah . Kadar penyingkiran COD berubah-ubah, dan penurunan suhu air tidak mempunyai kesan yang jelas terhadap penyingkiran COD. digabungkan denganRajah 4, kadar penyingkiran COD berbeza-beza antara 66.16%~82.51%, terutamanya dipengaruhi oleh kepekatan COD yang berpengaruh. Kajian menunjukkan bahawa dalam keadaan anaerobik/anoksik, penyingkiran COD terutamanya bergantung pada tindakan mikrob. Proses A2O-MBBR+CWs bergilir-gilir antara-anoksik-oksik-anoksik-anaerobik, mempertingkatkan penyingkiran COD. Semasa operasi, apabila suhu air menurun, walaupun COD influen berjulat dari 80~136 mg/L, COD efluen kekal stabil di bawah 50 mg/L, memenuhi standard Gred A DB 34/3527-2019, menunjukkan kemerosotan organik yang baik. Bahagian A2O menyumbang paling banyak kepada penyingkiran COD. Tangki sentuhan anoksik anaerobik{31}}yang keliru mempunyai purata kadar penyingkiran COD sebanyak 43.38%, menyumbang 65.43% daripada jumlah penyingkiran COD. Tangki MBBR aerobik mempunyai kadar penyingkiran purata sebanyak 14.69%, menyumbang 19.87% daripada jumlah keseluruhan. Bahagian A2O menyumbang lebih 85% kepada penyingkiran COD, mendapat manfaat daripada luas permukaan khusus media yang besar dalam tangki anaerobik yang keliru dan tangki MBBR aerobik, kepekatan enapcemar yang tinggi, dan pembentukan rantai makanan daripada bakteria → protozoa → metazoa, merendahkan bahan organik dalam air dengan berkesan. Kepelbagaian biologi sistem IFAS yang tinggi memastikan penyingkiran organik yang baik walaupun dengan perubahan suhu. Selain itu, sebahagian daripada bahan organik terlarut dalam air sisa dalam tangki sentuhan anaerobik-anoksik yang keliru akan digunakan sebagai sumber karbon dengan menyahnitrifikasi bakteria. Sementara itu, minuman keras campuran yang dikitar semula meningkat NO3--Kepekatan N dalam tangki anoksik yang keliru, menggalakkan penggunaan sumber karbon dengan menyahnitrifikasi bakteria untuk menukar NO3--TIDAK2--N ke dalam gas nitrogen. Kadar penyingkiran COD yang tinggi dalam tangki sentuhan anoksik-anaerobik yang keliru mengesahkan lagi bahawa proses ini boleh menggunakan bahan organik dalam air sisa sebagai sumber karbon denitrifikasi dengan cekap. Tanah lembap aliran bawah permukaan-berasaskan karbon mempunyai purata kadar penyingkiran COD sebanyak 7.18%, menyumbang 9.18% daripada jumlah penyingkiran COD. Persekitaran anaerobik/anoksik tanah lembap aliran bawah permukaan adalah kondusif kepada mikroorganisma menggunakan bahan organik sebagai sumber karbon, mencapai penyingkiran COD sambil meningkatkan denitrifikasi. Penyelidikan berkaitan juga menunjukkan bahawa pengisi biochar boleh menyerap bahan organik melalui tarikan elektrostatik dan ikatan hidrogen antara molekul. Oleh itu, pengisi biochar enap cemar di tanah lembap aliran bawah permukaan juga akan menjerap beberapa bahan organik. Kolam ekologi tumbuhan terendam mempunyai purata kadar penyingkiran COD hanya 3.68% kerana COD yang memasuki kolam sudah pun rendah pada purata 30.59 mg/L, dan kebanyakannya terdiri daripada organik refraktori, dikeluarkan terutamanya melalui penjerapan dan pengambilan tumbuhan, dengan kesan terhad.
2.2.2 Prestasi Penyingkiran Nitrogen
Seperti yang ditunjukkan dalamRajah 3, apabila suhu air menurun secara beransur-ansur daripada 32 darjah kepada 12 darjah, TN dan NH4+-N kadar penyingkiran berubah-ubah. Purata kadar penyingkiran TN mencapai 75.61%, dan purata NH4+-Kadar penyingkiran N mencapai 95.70%. Apabila suhu air turun di bawah 12 darjah, TN dan NH4+-Kadar penyingkiran N menunjukkan arah aliran menurun yang cepat, tetapi kadar penyingkiran purata masih mencapai 58.56% dan 80.40%, masing-masing. Ini kerana penurunan suhu air bermusim menghalang aktiviti mikrob, melemahkan prestasi denitrifikasi. Mengikut keputusan statistik kepekatan bahan pencemar influen dan efluen semasa tempoh operasi proses gabungan (1 Julai 2022, hingga 17 Januari 2023) ditunjukkan dalamJadual 3, purata pengaruh TN dan NH4+-Kepekatan N ialah 36.56 mg/L dan 32.47 mg/L, masing-masing. NH4+-N menyumbang 88.81% daripada TN. Pengaruh NO3--N (0.01 mg/L) hampir boleh diabaikan. Purata efluen TN dan NH4+-Kepekatan N ialah 11.69 mg/L dan 3.5 mg/L, masing-masing, kedua-duanya memenuhi standard Gred A DB 34/3527-2019. Purata efluen NO3--Kepekatan N ialah 6.03 mg/L, menunjukkan kapasiti nitrifikasi yang baik bagi proses ini, menukarkan NH4+-N hingga NO3--N. Walau bagaimanapun, pengumpulan NO3--N dalam efluen menunjukkan masih terdapat ruang untuk penyahtinjaan selanjutnya. Seperti yang ditunjukkan dalamRajah 5 (a), penyingkiran TN adalah tertinggi dalam bahagian A2O. Tangki sentuhan anoksik-anaerobik yang keliru mempunyai purata kadar penyingkiran TN sebanyak 44.25% dan tangki MBBR aerobik mempunyai purata kadar penyingkiran TN sebanyak 9.55%. Ini adalah hasil daripada tindakan gabungan bakteria nitrifikasi dalam zon aerobik dan bakteria denitrifikasi dalam zon anoksik. Tanah lembap binaan-berasaskan karbon mempunyai purata kadar penyingkiran TN sebanyak 11.07%, kerana keupayaannya untuk membebaskan sumber karbon dan persekitaran anaerobik/anoksiknya kondusif untuk denitrifikasi, mengekalkan kapasiti penyingkiran nitrogen tertentu. Kolam ekologi tumbuhan yang terendam mempunyai purata kadar penyingkiran TN hanya 3.54%, dengan prestasi penyingkiran umum, kerana persekitaran aerobiknya tidak kondusif untuk denitrifikasi. Seperti yang ditunjukkan dalamRajah 5 (b), NH4+-Penyingkiran N telah diselesaikan terutamanya dalam bahagian A2O. Tangki sentuhan anoksik-anaerobik yang keliru mempunyai NH4+-Kadar penyingkiran N sebanyak 59.46% dan tangki MBBR aerobik mempunyai NH4+-Kadar penyingkiran N sebanyak 24.24%. Bahagian A2O menyumbang 93.57% daripada jumlah NH4+-N penyingkiran. NH yang tinggi4+-Penyingkiran N dalam bahagian A2O adalah disebabkan oleh pengudaraan berterusan dalam tangki MBBR aerobik, membolehkan bakteria pennitriti menggunakan DO sepenuhnya untuk menukar NH4+-N hingga NO3--N. Ini kemudiannya diedarkan semula ke tangki anoksik, di mana bakteria denitrifikasi menukar NO3--N ke N2 untuk dialih keluar. Semasa tempoh ujian, purata kadar penyingkiran TN ialah 68.40%, dan purata NH4+-Kadar penyingkiran N ialah 89.45%, menunjukkan prestasi penyingkiran nitrogen yang baik.
Seperti yang ditunjukkan dalamRajah 3, apabila suhu air menurun daripada 32 darjah kepada 0 darjah , kadar penyingkiran TN menurun daripada maksimum 79.19% kepada 51.38%. digabungkan denganRajah 5 (a), when water temperature was >20 darjah, purata kadar penyingkiran TN melebihi 75%, dengan purata kepekatan efluen 8.41 mg/L, kerana aktiviti mikrob lebih tinggi dalam julat 20~32 darjah, membawa kepada penyahtinjaan yang lebih baik, selaras dengan penyelidikan oleh Zhang Na et al. Apabila suhu air menurun daripada 20 darjah kepada 5 darjah, purata kadar penyingkiran TN menurun kepada 65.44%, dan purata kepekatan efluen meningkat kepada 12.70 mg/L. Apabila suhu air adalah 0~5 darjah, purata kadar penyingkiran TN menurun kepada 52.75%, dan purata kepekatan efluen meningkat kepada 17.62 mg/L, menunjukkan kesan tertentu terhadap penyingkiran TN. Kajian menunjukkan bahawa apabila suhu air menurun, aktiviti mikrob terhalang. Apabila suhu air<5.6°C, microorganisms are basically dormant, and population numbers sharply decrease, limiting pollutant degradation. When water temperature <4°C, microorganisms begin to die. However, in this process, even when water temperature dropped to 0°C, the TN removal rate still reached 51.52%, and effluent always met the Grade A standard of DB 34/3527-2019. This is because the IFAS system in the A2O section maintained high biomass concentration. During the test period, MLSS concentration in the baffled anaerobic-anoxic contact tank and aerobic MBBR tank reached 6,000~8,000 mg/L. Additionally, recirculation of nitrified liquid further enhanced denitrification. Furthermore, wastewater passed sequentially through the limestone, zeolite, and sludge biochar filler zones of the subsurface flow wetland, where anaerobic and aerobic reactions occurred simultaneously. Various organics adsorbed on filler surfaces and the slow-release of carbon sources from biochar filler promoted denitrification, further enhancing nitrogen removal. Research indicates that biochar can increase the abundance and diversity of denitrifying microorganisms in wetlands. Also, due to its structure, subsurface flow wetlands have some thermal insulation effect, helping maintain internal microbial activity. Under the influence of multiple factors, the combined process exhibited strong resistance to low-temperature shock, maintaining over 50% TN removal even at 0°C. In summary, when water temperature is >5 darjah, prestasi penyingkiran TN adalah baik, dengan efluen stabil di bawah 15 mg/L. Pada ketika ini, mempertimbangkan penyingkiran bahan pencemar lain, kapasiti rawatan air sisa boleh ditingkatkan dengan sewajarnya.
Seperti yang ditunjukkan dalamRajah 3, apabila suhu air menurun secara beransur-ansur, NH4+-Kadar penyingkiran N menurun daripada maksimum 99.52% kepada minimum 74.77% dan NH efluen4+-Kepekatan N meningkat daripada minimum 0.17 mg/L kepada 8.40 mg/L. Menurunkan suhu air menghalang aktiviti bakteria nitrifikasi dan nitritifikasi, mengurangkan NH4+-N removal. However, when water temperature >12 darjah, purata efluen NH4+-Kepekatan N ialah 1.58 mg/L. Apabila suhu air Kurang daripada atau sama dengan 12 darjah , purata efluen NH4+-Kepekatan N meningkat kepada 6.58 mg/L, tetapi efluen NH4+-N sentiasa memenuhi standard Gred A DB 34/3527-2019. Apabila suhu air adalah 20 ~ 32 darjah, purata NH4+-Kadar penyingkiran N melebihi 96%. digabungkan denganRajah 5 (b), efluen NH4+-Kepekatan N adalah di bawah 2 mg/L dalam julat ini, menunjukkan aktiviti bakteria nitrifikasi tinggi dan NH keseluruhan yang sangat baik4+-N penyingkiran. Apabila suhu air secara beransur-ansur menurun dari 20 darjah kepada 12 darjah, purata NH4+-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12 darjah sesuai untuk pertumbuhan bakteria nitrifikasi, menggalakkan nitrifikasi. Oleh itu, NH4+-N mengekalkan kadar penyingkiran yang tinggi dalam julat 12~20 darjah. Apabila suhu air secara beransur-ansur menurun dari 12 darjah kepada 0 darjah, purata NH4+-Kadar penyingkiran N masih mencapai 80%. Penyelidikan sedia ada menunjukkan bahawa bakteria nitrifikasi hampir kehilangan kapasiti nitrifikasi pada 0 darjah . Walau bagaimanapun, keputusan kajian ini menunjukkan bahawa walaupun pada 0 darjah, NH4+-Kadar penyingkiran N melebihi 75%, menunjukkan prestasi nitrifikasi yang baik bagi proses ini pada suhu rendah. Ini kerana sistem IFAS dalam bahagian A2O-MBBR kajian ini mempunyai umur enap cemar biofilem yang panjang sehingga kira-kira 1 bulan, menjadikan kadar nitrifikasi dalam tangki biokimia jauh kurang terjejas oleh suhu berbanding proses enap cemar teraktif tradisional, meningkatkan prestasi nitrifikasi pada suhu musim sejuk yang rendah. Penyelidikan oleh Wei Xiaohan et al. juga menunjukkan bahawa sebab utama NH tidak-patuh4+-N efluen di bawah keadaan suhu air rendah adalah umur enap cemar teraktif yang tidak mencukupi, dengan kesan suhu pada aktiviti nitrifier adalah sekunder. Oleh itu, walaupun penurunan suhu air menjejaskan aktiviti nitrifier sedikit sebanyak, umur enap cemar yang mencukupi dalam proses ini memastikan NH4+-N penyingkiran pada suhu rendah. Dalam tempoh ujian, purata efluen NH4+-Kepekatan N ialah 3.50 mg/L, dan proses gabungan mempamerkan prestasi nitrifikasi yang baik dan stabil.
2.2.3 Prestasi Penyingkiran Fosforus
Seperti yang ditunjukkan dalamRajah 3, kadar penyingkiran TP sedikit berubah dengan perubahan suhu air, kekal stabil melebihi 94%. digabungkan denganRajah 6, kepekatan TP influen berjulat daripada 3.03~4.14 mg/L, dan kepekatan TP efluen berjulat dari 0.14~0.28 mg/L, memenuhi standard Gred A DB 34/3527-2019. Proses ini bergantung pada tindakan gabungan penyingkiran fosforus biologi (oleh PAO) dan penyingkiran fosforus kimia (oleh PAC). Apabila suhu air menurun, aktiviti PAO dihalang, menjejaskan penyingkiran fosforus biologi. Walau bagaimanapun, proses ini menambah penyingkiran fosforus kimia dengan menggunakan 3.7 g/d PAC, mengekalkan kadar penyingkiran TP yang stabil dan mengurangkan kesan perubahan suhu air pada penyingkiran fosforus dalam proses gabungan. Unit A2O mempunyai prestasi penyingkiran TP terbaik. Purata kepekatan TP efluen unit anoksik-anaerobik ialah 2.48 mg/L, dengan kadar penyingkiran 32.61%. Purata kepekatan TP efluen unit aerobik ialah 0.29 mg/L, dengan kadar penyingkiran 59.51%. Kadar penyingkiran TP keseluruhan untuk unit A2O ialah 92.12%. Reka bentuk yang keliru bagi bahagian A2O-MBBR sebahagian besarnya boleh mengeluarkan nitrogen nitrat yang dibawa dalam minuman keras campuran yang dikitar semula, membolehkan PAO anaerobik melepaskan fosforus dengan lebih teliti dalam bahagian anaerobik dan menyerap fosforus dengan lebih lengkap dalam bahagian aerobik, meningkatkan penyingkiran fosforus biologi. Selain itu, penyingkiran fosforus kimia dengan dos pada satu sisi tangki MBBR aerobik mengekalkan kadar penyingkiran TP yang stabil, dengan kualiti efluen yang lebih stabil daripada standard Gred A DB 34/3527-2019. Penyingkiran fosforus biologi dalam bahagian A2O-MBBR terutamanya berlaku apabila PAO dalam tangki anaerobik yang keliru menggunakan sumber karbon untuk menukar sebahagian daripada bahan organik dan asid lemak meruap kepada polyhydroxyalkanoates (PHAs). Apabila air sisa mengalir dari tangki anaerobik yang keliru ke tangki MBBR aerobik, PAO kemudiannya menggunakan PHA sebagai penderma elektron untuk melengkapkan pengambilan fosforus. Walau bagaimanapun, prestasi penyingkiran fosforus biologi mudah dipengaruhi oleh aktiviti PAO, dan suhu air yang rendah mengehadkan aktiviti PAO. Oleh itu, untuk mencapai penyingkiran fosforus yang stabil, penyingkiran fosforus kimia telah dimasukkan ke dalam reka bentuk proses. Selain itu, penjerapan oleh lapisan substrat dalam tanah lembap aliran bawah permukaan berasaskan karbon dan pertumbuhan tumbuhan terendam dalam kolam ekologi juga menyerap beberapa fosforus.
Ringkasnya, persediaan beroperasi secara stabil semasa tempoh ujian, dengan prestasi penyingkiran bahan pencemar keseluruhan yang baik. Proses gabungan A2O-MBBR + CWs mencapai kadar penyingkiran purata sebanyak 68.40%, 89.45%, 73.94% dan 94.04% untuk TN, NH4+-N, COD dan TP, masing-masing. Purata kepekatan efluen ialah 11.69 mg/L, 3.50 mg/L, 26.9 mg/L dan 0.22 mg/L, masing-masing, semuanya memenuhi standard Gred A DB 34/3527-2019. Penyelidikan oleh Wu Qiong et al. menunjukkan bahawa A2O-MBBR ialah proses komposit enap cemar dan biofilem teraktif, menampilkan kuantiti mikrob yang besar, umur enap cemar yang panjang, muatan isipadu yang tinggi, isipadu dan jejak yang kecil, rintangan yang kuat terhadap beban kejutan, kualiti efluen yang baik dan operasi yang stabil. Selain itu, prestasi denitrifikasi proses biofilem pada musim sejuk adalah lebih baik daripada proses enap cemar diaktifkan, menjadikannya lebih sesuai untuk merawat air sisa bersuhu{15} rendah pada musim sejuk. Ini juga merupakan sebab utama prestasi penyingkiran bahan pencemar yang baik bagi bahagian A2O-MBBR dalam kajian ini. Proses gabungan A2O-MBBR + CWs dalam kajian ini menambah zon rawatan penggilap CW berdasarkan proses A2O-MBBR, meningkatkan lagi prestasi penulenan keseluruhan dan kestabilan operasi proses tersebut. Penyingkiran TN dan NH4+-N kurang terjejas oleh perubahan suhu air bermusim, manakala penyingkiran COD dan TP hampir tidak terjejas oleh suhu air bermusim. Semasa tempoh ujian, ia mempamerkan rintangan yang kuat terhadap beban kejutan, menjadikannya sesuai untuk digunakan di kawasan luar bandar dengan turun naik yang besar dalam kualiti dan kuantiti air sisa domestik.
2.3 Analisis Ekonomi Proses Gabungan
Kos proses gabungan ini terutamanya termasuk kos pembinaan dan kos operasi rawatan air sisa. Kos pembinaan adalah untuk menyediakan persediaan eksperimen, termasuk membeli badan tangki, peralatan elektrik sampingan, media, loji terendam, dan kelengkapan paip, berjumlah kira-kira 3,000 CNY. Berdasarkan kapasiti rawatan air sisa maksimum semasa eksperimen 0.18 m³/d, kos pembinaan per m³ air sisa dirawat adalah lebih kurang 16,700 CNY. Kos operasi terutamanya timbul daripada operasi persediaan, termasuk penggunaan tenaga peralatan, kos kimia, kos pelupusan enap cemar dan kos buruh. Peralatan elektrik termasuk: pam suapan (kuasa 2 W, Q=2.8 m³/d), pam edaran semula (kuasa 2 W, Q=2.8 m³/d), pengudara (kuasa 5 W, kadar pengudaraan=5 L/min), dan pam dos peristaltik (kuasa 2 W). Dikira berdasarkan kuasa penggunaan maksimum sebenar: pam suapan 0.13 W, pam edaran semula 0.19 W, pengudara 1.25 W, pam dos 2 W. Jumlah kuasa penggunaan sebenar ialah 0.00357 kW, penggunaan kuasa harian 0.086 kWj. Penggunaan elektrik bagi setiap m³ air sisa yang dirawat ialah 0.48 kWj. Menggunakan harga elektrik industri 0.7 CNY/kWj, kos elektrik ialah 0.33 CNY/m³. Kos kimia PAC ialah kira-kira 2.4 CNY/kg, penggunaan 3.7 g/d. PAC yang diperlukan bagi setiap m³ air sisa ialah 20.56 g, kos 0.05 CNY/m³. Kos pelupusan enap cemar=kuantiti enap cemar × unit volum kos pelupusan enap cemar. Pengeluaran enapcemar kering bagi setiap tan air ialah 0.09 kg. Berdasarkan pengangkutan enap cemar WWTP perbandaran dan harga seunit pelupusan sebanyak 60 CNY/tan, kos pelupusan enap cemar bagi setiap tan air=0.09 kg × 0.06 CNY/kg=0.054 CNY. Memandangkan persediaan perintis hanya memerlukan pemeriksaan berkala selepas operasi, kos buruh dianggarkan berdasarkan pengalaman kejuruteraan sebenar. Loji 10,000 tan sehari dikendalikan oleh 1~2 orang. Dengan mengandaikan gaji seorang ialah 3,000 CNY/bulan, untuk 2 orang, penunjuk kos buruh ialah kira-kira 0.02 CNY/tan air. Butiran kos ditunjukkan dalamJadual 4. Secara ringkasnya, kos rawatan operasi adalah lebih kurang 0.46 CNY/m³. Walau bagaimanapun, apabila kapasiti rawatan air sisa meningkat, kos pembinaan dan operasi bagi setiap tan air akan berkurangan. Kos pembinaan dan operasi semasa ujian perintis adalah untuk rujukan sahaja.
3. Kesimpulan
Proses gabungan A2O-MBBR + CWs menunjukkan prestasi yang baik untuk rawatan air sisa domestik luar bandar. Penyingkiran TP dan COD sebahagian besarnya tidak terjejas oleh perubahan suhu air. Kadar penyingkiran purata untuk TN, NH4+-N, TP, and COD reached 68.4%, 89.45%, 94.02%, and 73.94%, respectively. When water temperature ≤5°C, effluent quality stably met the Grade A standard of DB 34/3527-2019. When water temperature >5 darjah, kualiti efluen boleh memenuhi standard Gred A GB 18918-2002 "Piawaian Pencemar Pencemar untuk Loji Rawatan Air Sisa Perbandaran". Proses ini boleh menggunakan bahan organik dalam sistem dengan cekap sebagai sumber karbon untuk mempertingkatkan denitrifikasi, mengekalkan lebih 50% penyingkiran TN walaupun pada suhu air serendah 0 darjah .
Kapasiti rawatan air sisa optimum untuk proses gabungan A2O-MBBR + CWs pada musim sejuk ialah 120 L/h dan 180 L/h dalam bukan-musim sejuk. Perubahan suhu air bermusim (menurun secara beransur-ansur daripada 32 darjah kepada 0 darjah ) hanya mempunyai kesan tertentu pada penyingkiran nitrogen melalui proses gabungan. Kadar penyingkiran TN menurun daripada 79.19% kepada 51.38%, dan NH4+-Kadar penyingkiran N menurun daripada 99.52% kepada 74.77%. Walaupun pada 0 darjah, kualiti efluen secara stabil memenuhi standard Gred A DB 34/3527-2019, dan NH4+-Kadar penyingkiran N masih mencapai 74.77%. Ini mendapat manfaat daripada sistem IFAS, di mana umur enap cemar sehingga 1 bulan memastikan nitrifikasi pada suhu rendah. Proses ini beroperasi secara stabil semasa tempoh ujian, mempamerkan rintangan yang kuat terhadap perubahan suhu air.
Proses awal A2O-MBBR menggunakan dua jenis pembawa biofilem yang digantung untuk lampiran mikrob, membentuk sistem IFAS. Tanah lembap aliran bawah permukaan-berasaskan karbon menggunakan pelbagai pengisi media termasuk biochar enap cemar, batu kapur dan zeolit, meningkatkan prestasi penapisannya sambil menyediakan permukaan lampiran yang mencukupi untuk mikroorganisma, meningkatkan kapasiti rawatan biologinya. Proses A2O-MBBR hadapan dengan IFAS mempunyai kepekatan biojisim yang tinggi. Tanah lembap komposit CW belakang berfungsi sebagai peringkat rawatan penggilap, seterusnya merawat air sisa, menjadikan sistem keseluruhan lebih tahan terhadap beban hentakan.
Proses gabungan A2O-MBBR + CWs sesuai untuk merawat air sisa domestik di kawasan luar bandar dengan turun naik yang besar dalam kualiti dan kuantiti. Ia beroperasi dengan stabil dan cekap, dengan kos rawatan lebih kurang 0.46 CNY/m³. Selain itu, bahagian proses A2O-MBBR+CWs boleh dilaraskan secara fleksibel mengikut piawaian, senario dan tujuan efluen yang berbeza. Proses gabungan ini boleh menyediakan rujukan data dan asas untuk projek rawatan air sisa domestik luar bandar di China, menawarkan laluan penggunaan sumber untuk tanah terbiar terbiar di kawasan luar bandar, dan mempunyai potensi aplikasi pasaran yang luas di bawah trend nasional (sangat menekankan peningkatan kualiti alam sekitar luar bandar.