Китай имеет большую численность сельского населения и относительно низкий уровень экономического развития. В настоящее время большой объем бытовых сточных вод, образующихся в сельской местности, в основном сбрасывается напрямую без очистки. По сравнению с городскими районами, качество и количество бытовых сточных вод в сельской местности существенно различаются. Под влиянием таких факторов, как экономические условия, образ жизни, региональный климат и географическая среда, качество воды и количество бытовых сточных вод в сельской местности демонстрируют большую волатильность. Учитывая характеристики бытовых сточных вод в сельской местности и практическую ситуацию с низким уровнем управления эксплуатацией и техническим обслуживанием очистных сооружений, использование традиционного процесса активного ила подвержено таким проблемам, как "hinадаптируемость к местным условиям и дддхххх простой очистных сооружений. Поэтому необходимо разрабатывать технологические процессы и оборудование, подходящие для децентрализованной очистки сельских сточных вод.
Биопленочный процесс обладает такими преимуществами, как высокая ударопрочность, низкое образование шлама, а также простота эксплуатации и обслуживания. В настоящее время существует ряд установок, использующих биопленочные процессы для очистки сельских бытовых сточных вод, но при этом сохраняются некоторые проблемы в процессе эксплуатации. Например, процесс биологического контактного окисления подвержен неравномерной аэрации и распределению воды, а также засорению наполнителя; биофильтры требуют регулярной обратной промывки, что приводит к относительно сложной эксплуатации и обслуживанию; вращающиеся биологические контакторы требуют высоких инвестиционных затрат и представляют значительные трудности в эксплуатации и обслуживании. В настоящее время для носителей биопленки широко используется полиэфирное волокно, которое отличается устойчивостью к микроорганизмам, равномерным распределением пор и хорошими показателями формирования биопленки. Выбор полиэфирного волокна в качестве модульного наполнителя и проектирование модуля в виде трехмерной иммобилизованной биопленочной завесы позволяет обеспечить модуль обильными циркуляционными каналами, предотвращая засорение. Модульная и сборная конструкция обеспечивает быстрый монтаж и короткие сроки строительства. Исходя из этого, авторы разработали трехмерный иммобилизованный биопленочный реактор с полиэфирным волокном в качестве наполнителя. Влияние соотношения упаковки наполнителя, метода смешивания в бескислородной зоне и гидравлического времени удерживания (ЗГТ) на эффективность очистки сельских бытовых сточных вод этим процессом было исследовано с помощью пилотных испытаний, а механизм удаления азота в реакторе был проанализирован с микробиологической точки зрения с целью предоставления технических рекомендаций по очистке децентрализованных сельских бытовых сточных вод.
1. Материалы и методы
1.1 Тестовая вода и инокулированный шлам
В ходе испытаний для моделирования сельских бытовых сточных вод использовались сточные воды из водоочистной станции в Шэньчжэне. В ходе испытаний концентрации ХПК, Нью-Гэмпшир₄⁺-N, Теннесси и SS в воде, поступающей в реактор, составляли 96,08–492,90 мг/л, 16,70–46,10 мг/л, 20,13–49,19 мг/л и 40–352 мг/л соответственно. Качество сточных вод соответствует классу 1А стандарта сброса загрязняющих веществ для очистки сельских бытовых сточных вод провинции Гуандун (ДБ44/2208—2019). В качестве инокулированного шлама был взят обезвоженный шлам той же водоочистной станции (влажность: 79,6%). Обезвоженный шлам добавлялся в реактор, после чего осуществлялась непрерывная замкнутая аэрация в течение 48 часов перед подачей воды и эксплуатацией.
1.2 Испытательное оборудование и режим работы
Проектная производительность испытательного оборудования составляла 6 м³/сут. Технологическая схема показана на рисунке 1: один модуль был установлен в бескислородной зоне, а два модуля — в аэробной зоне. Для перекачки сточных вод из приемного резервуара в бескислородную зону использовался прямоточный водяной насос, который затем перекачивал сточные воды через верхнюю перегородку в нижнюю часть аэробной зоны. Выходное отверстие для воды из аэробной зоны располагалось на конце реактора, а нитрифицированная жидкость из аэробной зоны возвращалась обратно в переднюю часть бескислородной зоны через обратный трубопровод для денитрификации. Реактор работал по чисто биопленочному процессу. Отверстия для выгрузки ила располагались на переднем и заднем концах реактора для регулярной выгрузки ила, вторичный отстойник не устанавливался.
1.3 Оптимизация условий проведения испытаний
В ходе испытания было изучено влияние таких параметров, как коэффициент упаковки наполнителя, метод смешивания в бескислородной зоне и ЗГТ на эффективность очистки в трехмерном реакторе с иммобилизованной биопленкой. Реактор проработал в общей сложности 6 месяцев, разделившись на 6 фаз, а рабочие условия каждой фазы показаны в таблице 1. На фазах Ⅰ и Ⅱ были приняты коэффициенты упаковки наполнителя 57,2 м²/м³ и 78,8 м²/м³ соответственно для изучения их влияния на эффективность удаления загрязняющих веществ; на фазах Ⅱ и Ⅲ для перемешивания в бескислородной зоне использовались мешалка и аэрация с помощью перфорированной трубы соответственно для изучения влияния различных методов смешивания на концентрацию РК в бескислородной зоне и эффективность удаления загрязняющих веществ; на фазах Ⅲ и Ⅳ сравнивались эффекты удаления загрязняющих веществ при непрерывной аэрации и циклическом режиме работы смешивания (10 минут работы и 10 минут перерыва); На этапах 4, 5 и 5 общая продолжительность ЗГТ была скорректирована до 12 ч, 9 ч и 10,5 ч соответственно для определения максимальной производительности реактора при условии обеспечения соответствия качества сточных вод нормативам. В течение периода эксплуатации степень орошения нитрифицированной жидкости была установлена на уровне 200%.
1.4 Тестовые элементы и методы
1.4.1 Определение рутинных показателей
Регулярно отбирались пробы воды на входе и выходе для определения таких показателей, как ХПК, NH4+-N, №3--N, Теннесси и взвешенные вещества. Кроме того, регулярно проверялись концентрация растворенного кислорода (РК) и биомасса биопленки на наполнителях.
ХПК определяли стандартным методом с дихроматом калия.
NH4+-N измеряли спектрофотометрическим методом с использованием реактива Несслера.
Теннесси определяли методом щелочной окислительно-ультрафиолетовой спектрофотометрии.
Измерение №3--N проводилось ультрафиолетовым спектрофотометрическим методом.
СС определяли гравиметрическим методом.
В различных точках аноксидной и аэробной зон многократно отбирались пробы наполнителей размером 50×50 мм. Осадок на наполнителях извлекался с помощью ультразвуковой установки, а биомасса на единицу площади наполнителя определялась гравиметрическим методом для расчета биомассы в реакторе. Концентрацию растворенного кислорода (РК) определяли с помощью портативного измерителя растворенного кислорода.
1.4.2 Микробиологический анализ
На этапах Ⅱ, Ⅲ и Ⅳ наполнители размером 50 мм × 50 мм случайным образом отбирались из аноксических и аэробных резервуаров соответственно, а биопленка на наполнителях удалялась с помощью ультразвукового очистителя.
Образцы из бескислородной зоны получили обозначения А1, А2 и А3 соответственно.
Образцы из аэробной зоны были обозначены как O1, O2 и O3 соответственно.
Образцы биоплёнки помещали в абсолютный этанол в объёмном соотношении 1:1 и в течение 1 часа отправляли в лабораторный холодильник с ультранизкой температурой -80 °C. ДНК микроорганизмов из биоплёнки выделяли в соответствии с инструкциями набора FastDNATM Вращаться Набор для Земля. Полученные образцы отправляли в компанию Шанхай Маджи Биомедицинский Технология Ко., ООО. для секвенирования.
