Eliminación de nitrógeno amoniacal de agua de río micro-contaminada y aguas residuales combinadas mediante empaquetaduras MBBR de diferentes materiales
El reactor de biopelículas de lecho móvil (MBBR) combina las ventajas del proceso de lodos activados y el proceso tradicional de biopelículas, lo que lo convierte en una tecnología innovadora y revolucionaria en el tratamiento biológico moderno de aguas residuales. Numerosos estudios previos han demostrado que el proceso MBBR puede aliviar eficazmente la presión de eliminación de nitrógeno de las aguas residuales urbanas. Los empaques de bio-transportador en el proceso MBBR pueden transportar la biopelícula a todo el reactor, promover el contacto entre la biopelícula, el oxígeno y los sustratos de reacción, y mejorar la eficiencia de las reacciones de degradación. Debido a sus características únicas de estabilidad y densidad, tienen amplias perspectivas de aplicación.
En la actualidad, la mayoría de los embalajes de bio-transportador MBBR están hechos principalmente de materiales como polietileno (PE), polipropileno (PP), poliuretano (PU) y poliuretano poroso (PPC). Entre ellos, los empaques MBBR a base de PE-tienen un buen efecto de eliminación de croma, CODCr, nitrógeno amoniacal, nitrógeno total, carbono orgánico total y fenoles volátiles en aguas residuales; Los empaques de PP se utilizan principalmente en procesos MBBR combinados, como el proceso combinado MBBR-AO y el proceso combinado MBBR-MBR; Los empaques de PU y PPC tienen una alta porosidad, lo que puede proporcionar un área de unión más grande para los microorganismos, lo que permite que los microorganismos crezcan de manera rápida y estable, eliminando así de manera efectiva los contaminantes orgánicos y diversos nutrientes en las aguas residuales. Las empaquetaduras de PE y PPC son dos tipos ampliamente utilizados actualmente. Los empaques de PE se aplican más ampliamente con un mejor rendimiento, mientras que los empaques de PPC tienen una hidrofilicidad más fuerte y una superficie específica más grande, que son más propicias para la adhesión de microorganismos. Ambos tipos de empaquetaduras tienen sus propias ventajas y desventajas, y ambos poseen buena resistencia mecánica y bajo costo. Sin embargo, existen pocos informes sobre sus efectos en la eliminación de nitrógeno amoniacal del agua de río micro-contaminada y de aguas pluviales-combinadas en el proceso acoplado MBBR-AO. Este artículo explora el impacto de agregar diferentes tipos de empaques bio-portadores MBBR (materiales PE y PPC) en el proceso acoplado MBBR-AO en la eficiencia de eliminación de nitrógeno amoniacal de aguas de río micro-contaminadas y aguas residuales pluviales- combinadas. Simultáneamente, analiza la tasa de formación de biopelículas y la vida útil de diferentes empaques de bio-portador MBBR, con el objetivo de mejorar los métodos de selección específicos de diferentes empaques de bio-portador MBBR en el proceso MBBR para el tratamiento de aguas residuales.
1. Proceso de tratamiento de aguas residuales
1. 1 Flujo de proceso y detalles de embalaje del bio-transportador
El dispositivo de tratamiento de aguas residuales utilizado en este estudio es un reactor biológico de lecho fluidizado de diseño propio-, que adopta el proceso acoplado MBBR-AO. El flujo del proceso principal se muestra en la Figura 1(a), y el equipo específico incluye una rejilla, una bomba de elevación, empaquetaduras bio-portadoras MBBR, un tanque integrado de eliminación de nitrógeno biológico de alta-eficiencia, un tanque de sedimentación de alta-eficiencia, un sistema de aireación, etc. El caudal de entrada del reactor es de 50 m³/d (aproximadamente 2 m³/h), el tiempo de retención hidráulica efectiva es de 5 horas y el El volumen efectivo del reactor es de unos 10 m³.
Los empaques portadores biológicos-MBBR en el dispositivo de tratamiento de aguas residuales son empaquetamientos a base de PE-y empaques portadores de gel PPC. Los empaques a base de PE-tienen forma de radiaciones anulares con un tamaño de Φ25 mm×10 mm, 19 orificios y canales pentagonales, con un área de superficie específica de aproximadamente 500 m²/m³ [Figura 1(b)]; Los empaques portadores de gel PPC son cúbicos con un tamaño de Φ10 mm×10 mm×10 mm y un área de superficie específica de aproximadamente 5000 m²/m³ [Figura 1(c)].
1.2 Calidad de las aguas residuales
En este estudio, el dispositivo de tratamiento de aguas residuales se utilizó para tratar dos tipos de cuerpos de agua: agua de río micro{0}}contaminada y aguas pluviales-combinadas. El agua del río micro-contaminada provenía de un río urbano en una región de Zhejiang con bajos niveles de contaminación, y su concentración de nitrógeno amoniacal era relativamente baja, con una concentración de masa promedio de 5 mg/L. Las aguas residuales pluviales- combinadas fueron la fuente influente de dos estaciones de bombeo de aguas residuales (estación de bombeo 1 y estación de bombeo 2) de una planta de tratamiento de aguas residuales en Zhejiang, con una concentración de nitrógeno amoniacal relativamente alta que oscilaba entre 3 y 20 mg/l. Esto se debe a que algunos óxidos de nitrógeno en el aire reaccionan con el agua de lluvia para formar ácido nítrico o nitratos durante el período de lluvia, lo que es más propicio para la reproducción de bacterias oxidantes de amoníaco-, lo que resulta en un contenido de nitrógeno amoniacal relativamente alto en las aguas residuales. Mientras tanto, el valor del pH de ambos cuerpos de agua se mantuvo entre 7 y 9.
1.3 Parámetros de funcionamiento del dispositivo de tratamiento de aguas residuales
1.2.1 Proceso inicial de formación de biopelículas
El sistema de tratamiento de aguas residuales se inició agregando empaquetaduras en lotes para la formación de biopelículas. Según el efecto de fluidización real de los rellenos en el reactor, se determinó que la fracción de volumen final de los rellenos añadidos era del 20%. Durante el proceso de puesta en marcha-, el lodo suspendido en el sistema no fue devuelto y la proporción de retorno de lodo durante el tratamiento de aguas residuales fue de 1:8.
1.2.2 Control de los parámetros operativos del dispositivo
El dispositivo de tratamiento de aguas residuales funcionó a temperatura ambiente (20 grados). El equipo de aireación en la parte inferior del dispositivo se utilizó para controlar la tasa de aireación durante el tratamiento de aguas residuales. Mientras tanto, el caudal de entrada del dispositivo se controló a 2 m³/h, y otros parámetros durante el tratamiento de aguas residuales se mantuvieron básicamente constantes. Se seleccionaron como muestras de agua afluente las aguas residuales pluviales-combinadas de la estación de bombeo 1 y la estación de bombeo 2, así como el agua del río micro-contaminada.
2. Resultados y Discusión
2.1 Tasa de formación de biopelículas de empaquetaduras MBBR con diferentes materiales
Durante la fase de puesta en marcha-del dispositivo de tratamiento de aguas residuales, la calidad del agua entrante se mantuvo estable. Después de agregar los empaques en lotes, los empaques experimentaron una formación y maduración normal de biopelículas.
Bajo las mismas condiciones operativas, la tasa de formación de biopelículas de empaques de bio-portadores con diferentes materiales varió significativamente debido a sus características inherentes. La tasa de formación de biopelículas de los empaques a base de PE-fue relativamente lenta, lo que requirió la adición de productos químicos como glucosa para el cultivo de aireación cerrada. Al observar el funcionamiento de los empaques de PE y PPC en el proceso acoplado MBBR-AO, se encontró que aproximadamente 5 días después de la adición de los empaques de PE, apareció una fina biopelícula marrón amarillenta-en la superficie de los soportes. Después de una operación continua durante aproximadamente 1 semana, apareció una gran cantidad de paramecios, epistylis, rotíferos y una pequeña cantidad de vorticella en la superficie del soporte, lo que indica que la biopelícula estaba básicamente madura y que el inicio del sistema-se completó en este momento. Por el contrario, la tasa de formación de biopelículas de los empaques de PPC fue más rápida y la biopelícula maduró básicamente en aproximadamente 3 días, mientras que el lodo se pudo adsorber en el interior de los empaques. La formación de biopelículas ayuda a mejorar la actividad de las bacterias oxidantes del amoníaco-. En comparación con los empaques de PE, la gran superficie específica de los empaques de PPC es más propicia para la formación de biopelículas y la inmovilización microbiana. Para empaquetaduras de PE del mismo material que tratan diferentes tipos de aguas residuales, el efecto de formación de biopelículas de las empaquetaduras también mostró diferencias significativas. Se puede ver en la Figura 2(a) que había una delgada biopelícula de color marrón claro en la superficie de los empaques de PE en el agua del río micro-contaminada. Sin embargo, la Figura 2(b) muestra que la capa de biopelícula en la superficie de los empaques de PE en las aguas residuales de aguas pluviales-combinadas estaba fragmentada, lo que indica que el efecto de formación de biopelículas de los empaques de PE en el agua del río micro-contaminada fue significativamente mejor que en las aguas residuales-de aguas pluviales combinadas. Se puede ver en la Figura 2(c) y la Figura 2(d) que la diferencia en el efecto de formación de biopelículas de los empaques de PPC en el agua del río micro-contaminada y en las aguas residuales pluviales- combinadas no fue significativa.
2. 2 Capacidad de eliminación de nitrógeno amoniacal de empaquetaduras de bio-vehículos con diferentes materiales
El contenido de nitrógeno amoniacal es un indicador clave para evaluar el efecto real del tratamiento de las aguas residuales de las estaciones de bombeo. Por lo tanto, la capacidad de eliminación de nitrógeno amoniacal tiene un importante significado práctico para la selección de tipos de empaquetamiento de bio-vehículos en el proceso acoplado MBBR-AO.
2. 3 Efecto de la eliminación del nitrógeno amoniacal de los empaques de PE y PPC en el agua de río micro-contaminada durante la operación del proceso a corto-plazo
Como se muestra en la Figura 3, las concentraciones promedio de masa de nitrógeno amoniacal afluente del proceso acoplado MBBR-AO con empaques de PE y PPC fueron de 3,69 mg/L y 3,39 mg/L, respectivamente. Mientras tanto, la concentración real de nitrógeno amoniacal afluente fluctuó significativamente, debido a las lluvias. En el proceso con empaques de PE, la cantidad promedio de eliminación de nitrógeno amoniacal y la tasa promedio de eliminación del agua del río micro-contaminada fueron 3,12 mg/L y 84,55 %, respectivamente, que fueron superiores a las del proceso con empaques de PPC (2,56 mg/L y 75,52 %). Esto indica que agregar empaquetaduras de PE en el proceso acoplado MBBR-AO es más propicio para la eliminación de nitrógeno amoniacal del agua de río micro-contaminada a corto plazo (dentro de 12 días).
2.4 Efecto de la eliminación del nitrógeno amoniacal de los empaques de PE y PPC en las aguas residuales-de aguas pluviales combinadas durante la operación del proceso a corto-plazo
Como se muestra en la Figura 4, durante la operación a corto-plazo (18-días) del proceso acoplado MBBR-AO con empaquetaduras de PE, las concentraciones promedio de masa de nitrógeno amoniacal afluente de las aguas residuales pluviales-combinadas de la Estación de bombeo 1 [Figura 4(a)] y la Estación de bombeo 2 [Figura 4(b)] fueron 7,24 mg/L y 9,35 mg/L. respectivamente. Cuando se agregaron empaquetaduras de PE en el tratamiento a corto plazo (18-días de las aguas residuales pluviales-de la estación de bombeo 1 y la estación de bombeo 2 mediante el proceso acoplado MBBR-AO, la concentración de nitrógeno amoniacal en el efluente disminuyó significativamente. Las cantidades promedio de eliminación de nitrógeno amoniacal fueron 6,93 mg/L y 7,9 mg/L, con tasas de eliminación promedio de 95,71 % y 84,49 %, respectivamente. Durante el tratamiento a corto plazo (18-días) de las aguas residuales pluviales combinadas de la estación de bombeo 1, la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal se mantuvo por encima del 90 % y alcanzó casi el 100 % el noveno día. Las aguas residuales tratadas pueden ser más propicias para el crecimiento de microorganismos adheridos, promoviendo así la eliminación del nitrógeno amoniacal. Mientras tanto, durante el tratamiento a corto plazo (18 días) de las aguas pluviales combinadas de la estación de bombeo 2, la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal se mantuvo en su mayoría alrededor del 90 %, lo que indica que agregar empaquetaduras de PE en el proceso acoplado MBBR-AO tiene un fuerte efecto de eliminación del nitrógeno amoniacal en las aguas pluviales combinadas a corto plazo (18 días).
Como se muestra en la Figura 5, en el proceso MBBR-AO acoplado con empaques de PPC, las concentraciones masivas de nitrógeno amoniacal afluente de las aguas residuales pluviales-combinadas de la Estación de bombeo 1 [Figura 5(a)] y la Estación de bombeo 2 [Figura 5(b)] variaron de 3 a 20 mg/L y de 3 a 22 mg/L, respectivamente, con grandes fluctuaciones. Esto puede deberse a que las lluvias provocan que los óxidos de nitrógeno del aire ingresen al sistema de alcantarillado, lo que provoca fluctuaciones significativas en la concentración de nitrógeno amoniacal del afluente. Las concentraciones promedio de masa de nitrógeno amoniacal afluente de las aguas residuales pluviales-combinadas de la Estación de bombeo 1 y la Estación de bombeo 2 fueron 14,76 mg/L y 13,26 mg/L, respectivamente. Después de un tratamiento a corto plazo (24 días) mediante el proceso acoplado MBBR-AO con empaques de PPC, la concentración de nitrógeno amoniacal en el efluente disminuyó significativamente, con concentraciones de masa promedio de solo 5,32 mg/L y 6,42 mg/L. Las cantidades promedio de eliminación de nitrógeno amoniacal fueron 9,44 mg/L y 6,84 mg/L, y las tasas de eliminación promedio fueron 63,96 % y 51,58 %, respectivamente. Esto indica que los empaques de PPC tienen cierto efecto en la eliminación del nitrógeno amoniacal de las aguas residuales combinadas de aguas pluviales. La alta concentración de nitrógeno amoniacal en las aguas residuales pluviales-combinadas puede deberse a la introducción de otros componentes complejos en las aguas residuales, inhibiendo así la degradación del nitrógeno amoniacal por los empaques de PPC. En comparación con las empaquetaduras de PE, las empaquetaduras de PPC tienen poros más pequeños y mayor porosidad. Las impurezas y las partículas suspendidas en las aguas residuales combinadas de aguas pluviales-pueden bloquear los poros de los empaques de PPC, lo que provoca aglomeración dentro de los empaques y, por lo tanto, reduce la eficiencia de eliminación de nitrógeno amoniacal. Mientras tanto, estudios anteriores han descubierto que las biopelículas de menos de 1 mm pueden provocar la obstrucción de los poros dentro de los empaques. Aunque las biopelículas pueden acelerar el bloqueo interno de las empaquetaduras, no son el factor principal.
Durante la operación a corto-plazo del proceso acoplado MBBR-AO, las tasas promedio de eliminación de nitrógeno amoniacal de los empaques de PE para aguas residuales pluviales-combinadas (95,71 % para la estación de bombeo 1 y 84,49 % para la estación de bombeo 2) fueron ligeramente superiores a las del agua de río micro-contaminada (84,55%). En contraste, las tasas promedio de eliminación de nitrógeno amoniacal de los empaques de PPC para aguas residuales pluviales-combinadas (63,96 % para la estación de bombeo 1 y 51,58 % para la estación de bombeo 2) fueron ligeramente inferiores a las del agua de río micro-contaminada (75,52 %). Para los empaques de PE, en comparación con el agua de río micro-contaminada, la baja concentración de oxígeno disuelto en las aguas residuales combinadas de aguas pluviales-es más propicia para la nitrificación y desnitrificación simultánea de microorganismos en los empaques de PE para la eliminación de nitrógeno. Durante la formación de biopelículas de los empaques de PPC, el lodo se adsorbe en el interior de los empaques, lo que genera un aumento en la concentración de oxígeno disuelto, lo que no favorece la nitrificación y desnitrificación simultáneas de los microorganismos internos, lo que resulta en una disminución en las tasas de eliminación de nitrógeno amoniacal tanto en las aguas residuales pluviales-como en el agua de río micro-contaminada.
En resumen, agregar empaquetaduras de PE es más propicio para la degradación del nitrógeno amoniacal en aguas residuales pluviales-combinadas mediante el proceso acoplado MBBR-AO en el corto plazo.
Efecto de la eliminación del nitrógeno amoniacal de los empaques de PE y PPC en las aguas residuales-de aguas pluviales combinadas durante la operación a largo plazo-del proceso
Como se muestra en la Figura 6, durante la operación a largo plazo (96-días) del proceso acoplado MBBR-AO con empaques de PE, las concentraciones en masa de nitrógeno amoniacal afluente de las aguas residuales pluviales-combinadas de la Estación de bombeo 1 [Figura 6(a)] y la Estación de bombeo 2 [Figura 6(b)] variaron de 2 a 25 mg/L y de 3 a 35 mg/L, respectivamente, con grandes fluctuaciones. Las concentraciones promedio de masa de nitrógeno amoniacal afluente fueron 10,20 mg/L y 8,93 mg/L, respectivamente. Después del tratamiento mediante el proceso acoplado MBBR-AO, las concentraciones promedio de masa de nitrógeno amoniacal en el efluente disminuyeron a 2,93 mg/L y 2,67 mg/L, con cantidades promedio de eliminación de 7,27 mg/L y 6,26 mg/L, y tasas de eliminación promedio de 71,27 % y 70,10 %, respectivamente. No hubo diferencias significativas en la degradación del nitrógeno amoniacal en las aguas residuales pluviales-combinadas de la estación de bombeo 1 y la estación de bombeo 2 mediante la adición de empaquetaduras de PE durante la operación a largo plazo-(96-días) del proceso acoplado MBBR-AO, y las tasas de eliminación de nitrógeno amoniacal se mantuvieron en alrededor del 74 %. Esto indica que agregar empaquetaduras de PE en el proceso acoplado MBBR-AO tiene un buen efecto de eliminación del nitrógeno amoniacal en las aguas residuales combinadas de aguas pluviales-durante una operación a largo plazo-(96-días). Cuando el proceso acoplado MBBR-AO con empaques de PE operó en la etapa posterior (84-96 días), independientemente de si el afluente era una combinación de aguas pluviales y aguas residuales de la Estación de bombeo 1 o de la Estación de bombeo 2, la concentración de nitrógeno amoniacal del efluente aumentó significativamente y la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal fue significativamente menor que la tasa de eliminación de casi el 90 % en la etapa inicial de la operación del proceso. Esto se debe a que después de un uso prolongado, las empaquetaduras de PE se dañan y envejecen, y la rugosidad de la superficie de las empaquetaduras cambia, lo que lleva a una disminución en la resistencia al servicio y en la capacidad de eliminación de nitrógeno amoniacal.
La Figura 7 muestra los cambios en la concentración de nitrógeno amoniacal del afluente, la concentración de nitrógeno amoniacal del efluente, la cantidad de eliminación de nitrógeno amoniacal y la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal durante la operación a largo plazo-del proceso acoplado MBBR-AO con empaques de PPC. Las concentraciones masivas de nitrógeno amoniacal afluente de las aguas residuales pluviales- combinadas de la Estación de bombeo 1 [Figura 7(a)] y la Estación de bombeo 2 [Figura 7(b)] variaron de 3 a 35 mg/L, con concentraciones promedio de masa de nitrógeno amoniacal afluente de 10,96 mg/L y 8,10 mg/L, respectivamente. Después del tratamiento mediante el proceso acoplado MBBR-AO, las concentraciones promedio de masa de nitrógeno amoniacal en el efluente disminuyeron a 3,96 mg/L y 3,39 mg/L, con cantidades promedio de eliminación de 7,00 mg/L y 4,71 mg/L, y tasas de eliminación promedio de 63,87 % y 58,15 %, respectivamente. Durante la operación a largo plazo-del proceso acoplado MBBR-AO, agregar empaquetaduras de PPC tuvo un efecto de degradación ligeramente mejor sobre el nitrógeno amoniacal en las aguas residuales-pluviales combinadas de la estación de bombeo 1 que las de la estación de bombeo 2, pero la diferencia no fue significativa. Esto indica que agregar empaquetaduras de PPC en el proceso acoplado MBBR-AO tiene un cierto efecto de eliminación del nitrógeno amoniacal en las aguas residuales pluviales-combinadas durante el funcionamiento-a largo plazo. La tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal del proceso acoplado MBBR-AO con empaquetaduras de PPC durante la operación a largo plazo-fue mayor que durante la operación a corto-plazo. Esto se debe a que durante el funcionamiento-a largo plazo, el lodo se acumula dentro de los empaques de PPC, formando un ambiente anaeróbico o anóxico local, que proporciona un entorno de vida adecuado para las actividades vitales de las bacterias nitrificantes. Las bacterias nitrificantes se reproducen rápidamente y la velocidad de reacción local se acelera.
En resumen, agregar empaquetaduras de PE es más propicio para la degradación del nitrógeno amoniacal en las aguas residuales-pluviales combinadas mediante el proceso acoplado MBBR-AO durante la operación a largo plazo-. Mientras tanto, las empaquetaduras de PE deben reemplazarse o limpiarse de manera oportuna después de un uso prolongado-para garantizar que el nitrógeno amoniacal de las aguas residuales aún se pueda eliminar de manera efectiva durante la operación a largo plazo-del proceso acoplado MBBR-AO.
Vida útil de los embalajes de bio-portador con diferentes materiales
En comparación con las empaquetaduras de PPC, las empaquetaduras de PE tienen una vida útil más larga durante el tratamiento-a largo plazo de agua de río micro-contaminada y aguas pluviales-combinadas mediante el proceso acoplado MBBR-AO. Como se muestra en la Figura 8(a), los empaques de PPC experimentan escoria y daños durante el proceso de tratamiento de aguas residuales mediante el proceso acoplado MBBR-AO. Mientras tanto, el envejecimiento y la aglomeración ocurren dentro de los empaques después de un funcionamiento prolongado-[Figuras 8(b) y 8(c)]. Los empaques de PPC tienen poca permeabilidad a los lodos. Aunque los empaques de PPC tipo esponja-tienen una gran superficie específica, sus poros internos son fácilmente adsorbidos por el lodo y difíciles de fluir. La acumulación-de lodo a largo plazo dentro de los empaques tiende a formar un ambiente anaeróbico o anóxico, lo que hace que el color de los empaques cambie gradualmente de marrón a negro. Esto conduce a problemas como escoria, rotura, envejecimiento y aglomeración de las empaquetaduras de PPC durante el funcionamiento a largo plazo-, acortando así su vida útil. Este es también el factor principal del pobre efecto de los empaques de PPC en la eliminación del nitrógeno amoniacal de las aguas residuales combinadas de aguas pluviales [Figuras 5(a) y 5(b)]. Por el contrario, las empaquetaduras de PE básicamente no tuvieron los problemas anteriores durante el tratamiento de aguas residuales a largo plazo-mediante el proceso acoplado MBBR-AO, con mejor durabilidad y vida útil más larga. Una configuración de portador razonable puede amortiguar eficazmente el impacto del flujo de agua en la biopelícula, permitiendo que la biopelícula crezca de manera estable sin sufrir daños.
Conclusiones
En este estudio, se agregaron empaquetaduras de bio-PE y PPC durante el proceso de tratamiento de aguas residuales del proceso acoplado MBBR-AO. Se investigaron los efectos de los materiales de embalaje sobre la degradación del nitrógeno amoniacal en aguas de río micro-contaminadas y aguas residuales combinadas-de aguas pluviales, así como la tasa de formación de biopelículas microbianas y la vida útil de los embalajes con diferentes materiales. En comparación con las empaquetaduras de PPC, las empaquetaduras de PE tienen una tasa de formación de biopelículas más lenta pero una vida útil más larga. Mientras tanto, ya sea que se utilicen en el tratamiento a corto o largo plazo-plazo de agua de río micro-contaminada y aguas residuales pluviales-combinadas mediante el proceso acoplado MBBR-AO, los empaques de PE exhiben mejores efectos de degradación del nitrógeno amoniacal. Los resultados de la investigación brindan soporte técnico para la selección de materiales de empaque en procesos de tratamiento de aguas residuales.