Remoção de nitrogênio amoniacal de águas de rios micro{0}}poluídas e esgoto combinado usando embalagens MBBR de diferentes materiais
O Reator de Biofilme de Leito Móvel (MBBR) combina as vantagens do processo de lodo ativado e do processo tradicional de biofilme, tornando-o uma tecnologia inovadora e revolucionária no moderno tratamento biológico de esgoto. Numerosos estudos anteriores mostraram que o processo MBBR pode efetivamente aliviar a pressão de remoção de nitrogênio do esgoto urbano. As embalagens bio-transportadoras no processo MBBR podem transportar o biofilme para todo o reator, promover o contato entre o biofilme, o oxigênio e os substratos de reação e melhorar a eficiência das reações de degradação. Devido às suas características únicas de estabilidade e densidade, eles têm amplas perspectivas de aplicação.
Atualmente, a maioria das embalagens bio{0}}transportadoras MBBR são feitas principalmente de materiais como polietileno (PE), polipropileno (PP), poliuretano (PU) e poliuretano poroso (PPC). Entre eles, os recheios MBBR baseados em PE-têm um bom efeito de remoção de croma, CODCr, nitrogênio amoniacal, nitrogênio total, carbono orgânico total e fenóis voláteis em águas residuais; As gaxetas PP são usadas principalmente em processos MBBR combinados, como processo combinado MBBR-AO e processo combinado MBBR-MBR; As embalagens de PU e PPC têm alta porosidade, o que pode fornecer uma área de fixação maior para microrganismos, permitindo que os microrganismos cresçam de forma rápida e estável, removendo assim com eficácia poluentes orgânicos e vários nutrientes nas águas residuais. As gaxetas PE e PPC são dois tipos amplamente utilizados atualmente. As gaxetas de PE são mais amplamente aplicadas com melhor desempenho, enquanto as gaxetas de PPC apresentam hidrofilicidade mais forte e maior área superficial específica, que são mais propícias à fixação de microrganismos. Ambos os tipos de gaxetas apresentam vantagens e desvantagens, e ambos possuem boa resistência mecânica e baixo custo. No entanto, há poucos relatos sobre os efeitos da remoção de nitrogênio amoniacal da água micro{9}}poluída do rio e do esgoto combinado de águas pluviais-no processo acoplado MBBR-AO. Este artigo explora o impacto da adição de diferentes tipos de embalagens bio{13}}transportadoras MBBR (materiais PE e PPC) no processo acoplado MBBR-AO na eficiência de remoção de nitrogênio amoniacal de águas de rios micro-poluídas e esgotos combinados de águas pluviais-. Simultaneamente, analisa a taxa de formação de biofilme e a vida útil de diferentes embalagens bio{18}}transportadoras MBBR, com o objetivo de melhorar os métodos de seleção específicos de diferentes embalagens bio{19}}portadoras MBBR no processo MBBR para tratamento de esgoto.
1. Processo de Tratamento de Esgoto
1. 1 Detalhes do fluxo do processo e da embalagem do-transportador biológico
O dispositivo de tratamento de esgoto usado neste estudo é um reator biológico-de leito fluidizado autoprojetado, adotando o processo acoplado MBBR-AO. O fluxo principal do processo é mostrado na Figura 1(a), e o equipamento específico inclui uma grade, uma bomba de elevação, embalagens de transporte biológico-MBBR, um tanque integrado de remoção de nitrogênio biológico de alta{5}}eficiência, um tanque de sedimentação de alta{6}}eficiência, um sistema de aeração, etc. o volume efetivo do reator é de cerca de 10 m³.
As embalagens-de transporte biológico MBBR no dispositivo de tratamento de esgoto são embalagens à base de-PE e embalagens de transporte de gel PPC. Os recheios à base de PE-têm a forma de radiações anulares com tamanho de Φ25 mm×10 mm, 19 furos e canais pentagonais, com área superficial específica de aproximadamente 500 m²/m³ [Figura 1(b)]; as embalagens transportadoras de gel PPC são cúbicas com um tamanho de Φ10 mm×10 mm×10 mm e uma área superficial específica de cerca de 5.000 m²/m³ [Figura 1(c)].
1.2 Qualidade do Esgoto
Neste estudo, o dispositivo de tratamento de esgoto foi usado para tratar dois tipos de corpos d’água: água de rio micro{0}}poluída e esgoto combinado-de águas pluviais. A água do rio micro-poluída era proveniente de um rio urbano em uma região de Zhejiang com baixos níveis de poluição, e sua concentração de nitrogênio amoniacal era relativamente baixa, com uma concentração de massa média de 5 mg/L. O esgoto-de águas pluviais combinado foi a fonte influente de duas estações de bombeamento de esgoto (Estação de bombeamento 1 e Estação de bombeamento 2) de uma estação de tratamento de esgoto em Zhejiang, com uma concentração relativamente alta de nitrogênio amoniacal variando de 3 a 20 mg/L. Isso ocorre porque alguns óxidos de nitrogênio no ar reagem com a água da chuva para formar ácido nítrico ou nitratos durante o período de chuvas, o que é mais propício à reprodução de bactérias oxidantes-de amônia, resultando em um teor relativamente alto de nitrogênio amoniacal no esgoto. Enquanto isso, o valor do pH de ambos os corpos d'água foi mantido entre 7 e 9.
1.3 Parâmetros Operacionais do Dispositivo de Tratamento de Esgoto
1.2.1 Processo Inicial de Formação de Biofilme
O sistema de tratamento de esgoto foi iniciado com a adição de embalagens em lotes para formação de biofilme. De acordo com o efeito real de fluidização dos recheios no reator, a fração volumétrica final dos recheios adicionados foi determinada em 20%. Durante o processo de inicialização-, o lodo suspenso no sistema não foi retornado e a taxa de retorno do lodo durante o tratamento de esgoto foi de 1:8.
1.2.2 Controle dos Parâmetros Operacionais do Dispositivo
O dispositivo de tratamento de esgoto funcionou em temperatura ambiente (20 graus). O equipamento de aeração na parte inferior do aparelho foi utilizado para controlar a taxa de aeração durante o tratamento de esgoto. Enquanto isso, a vazão afluente do dispositivo foi controlada em 2 m³/h, e outros parâmetros durante o tratamento de esgoto permaneceram basicamente consistentes. O esgoto combinado de águas pluviais-da Estação de bombeamento 1 e da Estação de bombeamento 2, bem como a água do rio micro-poluída, foram selecionados como amostras de água influentes.
2. Resultados e Discussão
2.1 Taxa de formação de biofilme de embalagens MBBR com diferentes materiais
Durante a fase de inicialização-do dispositivo de tratamento de esgoto, a qualidade da água afluente permaneceu estável. Após a adição das embalagens em lotes, as embalagens sofreram formação e maturação normais de biofilme.
Sob as mesmas condições operacionais, a taxa de formação de biofilme de bio-embalagens transportadoras com diferentes materiais variou significativamente devido às suas características inerentes. A taxa de formação de biofilme de embalagens à base de PE- foi relativamente lenta, exigindo a adição de produtos químicos como glicose para cultura de aeração fechada. Ao observar a operação dos recheios de PE e PPC no processo acoplado MBBR-AO, descobriu-se que cerca de 5 dias após a adição dos recheios de PE, um fino biofilme marrom-amarelado apareceu na superfície dos transportadores. Após operação contínua por cerca de 1 semana, um grande número de paramécios, epistylis, rotíferos e uma pequena quantidade de vorticelas apareceram na superfície do transportador, indicando que o biofilme estava basicamente maduro e a inicialização do sistema-foi concluída neste momento. Em contraste, a taxa de formação de biofilme dos recheios de PPC foi mais rápida, e o biofilme amadureceu basicamente em cerca de 3 dias, enquanto o lodo pôde ser adsorvido no interior dos recheios. A formação de biofilme ajuda a melhorar a atividade das bactérias-oxidantes de amônia. Em comparação com os recheios de PE, a grande área superficial específica dos recheios de PPC é mais propícia à formação de biofilme e à imobilização microbiana. Para recheios de PE do mesmo material tratando diferentes tipos de esgoto, o efeito de formação de biofilme dos recheios também apresentou diferenças significativas. Pode-se observar na Figura 2(a) que havia um fino biofilme marrom claro na superfície das embalagens de PE na água do rio micro-poluída. No entanto, a Figura 2(b) mostra que a camada de biofilme na superfície dos recheios de PE no esgoto-de águas pluviais combinado foi fragmentada, indicando que o efeito de formação de biofilme dos recheios de PE na água do rio micro-poluída foi significativamente melhor do que no esgoto-de águas pluviais combinado. Pode-se observar na Figura 2(c) e na Figura 2(d) que a diferença no efeito de formação de biofilme dos empacotamentos de PPC na água do rio micro-poluída e no esgoto combinado-de águas pluviais não foi significativa.
2. 2 Capacidade de remoção de nitrogênio amoniacal de bio-embalagens transportadoras com diferentes materiais
O teor de nitrogênio amoniacal é um indicador chave para avaliar o efeito real do tratamento do esgoto das estações de bombeamento. Portanto, a capacidade de remoção de nitrogênio amoniacal tem um importante significado prático de orientação para a seleção de tipos de embalagem bio{1}}transportadora no processo acoplado MBBR-AO.
2. 3 Efeito da remoção de nitrogênio amoniacal de embalagens de PE e PPC em águas micro{1}}poluídas de rios durante operação de curto-prazo do processo
Conforme mostrado na Figura 3, as concentrações mássicas de nitrogênio amoniacal influentes médias do processo acoplado MBBR-AO com recheios de PE e PPC foram de 3,69 mg/L e 3,39 mg/L, respectivamente. Enquanto isso, a concentração real de nitrogênio amoniacal afluente flutuou significativamente, o que foi causado pelas chuvas. No processo com embalagens de PE, a quantidade média de remoção de nitrogênio amoniacal e a taxa média de remoção da água do rio micro{6}poluída foram de 3,12 mg/L e 84,55%, respectivamente, valores superiores aos do processo com embalagens de PPC (2,56 mg/L e 75,52%). Isso indica que a adição de empacotamentos de PE no processo acoplado MBBR-AO é mais propícia à remoção de nitrogênio amoniacal da água do rio micro-poluída no curto prazo (dentro de 12 dias).
2.4 Efeito da remoção de nitrogênio amoniacal de embalagens de PE e PPC em águas pluviais combinadas-de esgoto durante a operação de curto-prazo do processo
Conforme mostrado na Figura 4, durante a operação de curto-prazo (18-dias) do processo acoplado MBBR-AO com embalagens de PE, as concentrações médias de massa de nitrogênio amoniacal influente do esgoto combinado de águas pluviais-da Estação de bombeamento 1 [Figura 4(a)] e da Estação de bombeamento 2 [Figura 4(b)] foram de 7,24 mg/L e 9,35 mg/L, respectivamente. Quando as embalagens de PE foram adicionadas no tratamento de curto-prazo (18-dias) do esgoto combinado de águas pluviais-da Estação de bombeamento 1 e da Estação de bombeamento 2 usando o processo acoplado MBBR-AO, a concentração de nitrogênio amoniacal no efluente diminuiu significativamente. As quantidades médias de remoção de nitrogênio amoniacal foram de 6,93 mg/L e 7,9 mg/L, com taxas médias de remoção de 95,71% e 84,49%, respectivamente. Durante o tratamento de curto-prazo (18-dias) do esgoto combinado-de águas pluviais da Estação de bombeamento 1, a taxa de remoção de nitrogênio amoniacal permaneceu acima de 90% e atingiu quase 100% no 9º dia. O esgoto tratado pode ser mais propício ao crescimento de microrganismos aderidos, promovendo assim a remoção do nitrogênio amoniacal. Enquanto isso, durante o tratamento de curto-prazo (18 dias) de águas pluviais combinadas da Estação de Bombeamento 2, a taxa de remoção de nitrogênio amoniacal permaneceu em torno de 90%, indicando que a adição de embalagens de PE no processo acoplado MBBR-AO tem um forte efeito de remoção de nitrogênio amoniacal em águas pluviais combinadas de esgoto no curto prazo (18 dias).
Conforme mostrado na Figura 5, no processo acoplado MBBR-AO com empacotamentos PPC, as concentrações de massa de nitrogênio amoniacal influentes do esgoto combinado de águas pluviais-da Estação de bombeamento 1 [Figura 5(a)] e da Estação de bombeamento 2 [Figura 5(b)] variaram de 3 a 20 mg/L e 3 a 22 mg/L, respectivamente, com grandes flutuações. Isto pode ser devido às chuvas que fazem com que os óxidos de nitrogênio presentes no ar entrem no sistema de esgoto, resultando em flutuações significativas na concentração influente de nitrogênio amoniacal. As concentrações médias de massa de nitrogênio amoniacal influente do esgoto pluvial combinado-da Estação de bombeamento 1 e da Estação de bombeamento 2 foram de 14,76 mg/L e 13,26 mg/L, respectivamente. Após tratamento de curto-prazo (24 dias) pelo processo acoplado MBBR-AO com embalagens PPC, a concentração de nitrogênio amoniacal no efluente diminuiu significativamente, com concentrações mássicas médias de apenas 5,32 mg/L e 6,42 mg/L. As quantidades médias de remoção de nitrogênio amoniacal foram 9,44 mg/L e 6,84 mg/L, e as taxas médias de remoção foram 63,96% e 51,58%, respectivamente. Isso indica que as gaxetas PPC têm um certo efeito na remoção do nitrogênio amoniacal do esgoto combinado-de águas pluviais. A alta concentração de nitrogênio amoniacal no esgoto-de águas pluviais combinadas pode ser devida à introdução de outros componentes complexos no esgoto, inibindo assim a degradação do nitrogênio amoniacal pelas embalagens PPC. Em comparação com as gaxetas de PE, as gaxetas de PPC possuem poros menores e maior porosidade. Impurezas e partículas suspensas no esgoto combinado de águas pluviais-podem bloquear os poros dos recheios de PPC, levando à aglomeração dentro dos recheios e, assim, reduzindo a eficiência de remoção de nitrogênio amoniacal. Enquanto isso, estudos anteriores descobriram que biofilmes menores que 1 mm podem causar obstrução dos poros dentro das embalagens. Embora os biofilmes possam acelerar o bloqueio interno dos recheios, eles não são o fator principal.
Durante a operação de curto-prazo do processo acoplado MBBR-AO, as taxas médias de remoção de nitrogênio amoniacal de embalagens de PE para águas pluviais-esgotadas combinadas (95,71% para a Estação de bombeamento 1 e 84,49% para a Estação de bombeamento 2) foram ligeiramente mais altas do que aquelas para água de rio micro{7}}poluída (84,55%). Em contraste, as taxas médias de remoção de nitrogênio amoniacal de embalagens PPC para esgoto combinado de águas pluviais (63,96% para a Estação de bombeamento 1 e 51,58% para a Estação de bombeamento 2) foram ligeiramente inferiores às da água de rio micro-poluída (75,52%). Para embalagens de PE, em comparação com águas de rios micro-poluídas, a baixa concentração de oxigênio dissolvido no esgoto combinado de águas pluviais-é mais propícia à nitrificação e desnitrificação simultâneas de microrganismos em embalagens de PE para remoção de nitrogênio. Durante a formação de biofilme de recheios de PPC, o lodo é adsorvido no interior dos recheios, levando a um aumento na concentração de oxigênio dissolvido, o que não conduz à nitrificação e desnitrificação simultâneas de microrganismos internos, resultando em uma diminuição nas taxas de remoção de nitrogênio amoniacal tanto em águas pluviais combinadas-esgoto quanto em águas de rios micro-poluídas.
Em resumo, a adição de gaxetas de PE é mais propícia à degradação do nitrogênio amoniacal no esgoto combinado de águas pluviais-pelo processo acoplado MBBR-AO no curto prazo.
Efeito da remoção de nitrogênio amoniacal de embalagens de PE e PPC em águas pluviais combinadas-esgoto durante a operação-de longo prazo do processo
Conforme mostrado na Figura 6, durante a operação de longo-prazo (96-dias) do processo acoplado MBBR-AO com embalagens de PE, as concentrações de massa de nitrogênio amoniacal influentes do esgoto combinado de águas pluviais-da Estação de bombeamento 1 [Figura 6(a)] e Estação de bombeamento 2 [Figura 6(b)] variaram de 2 a 25 mg/L e 3 a 35 mg/L, respectivamente, com grandes flutuações. As concentrações mássicas de nitrogênio amoniacal influentes médias foram de 10,20 mg/L e 8,93 mg/L, respectivamente. Após o tratamento pelo processo acoplado MBBR-AO, as concentrações médias de massa de nitrogênio amoniacal no efluente diminuíram para 2,93 mg/L e 2,67 mg/L, com quantidades médias de remoção de 7,27 mg/L e 6,26 mg/L, e taxas médias de remoção de 71,27% e 70,10%, respectivamente. Não houve diferença significativa na degradação do nitrogênio amoniacal no esgoto combinado de águas pluviais-da Estação de bombeamento 1 e da Estação de bombeamento 2 pela adição de embalagens de PE durante a operação de longo-prazo (96-dias) do processo acoplado MBBR-AO, e as taxas de remoção de nitrogênio amoniacal foram mantidas em cerca de 74%. Isso indica que a adição de gaxetas de PE no processo acoplado MBBR-AO tem um bom efeito de remoção do nitrogênio amoniacal no esgoto combinado de águas pluviais-durante operação de longo-prazo (96-dias). Quando o processo acoplado MBBR-AO com recheios de PE operou no estágio posterior (84-96 dias), independentemente de o afluente ser combinado com águas pluviais da Estação Elevatória 1 ou da Estação Elevatória 2, a concentração de nitrogênio amoniacal no efluente aumentou significativamente, e a taxa de remoção de nitrogênio amoniacal foi significativamente menor do que a taxa de remoção de quase 90% no estágio inicial da operação do processo. Isso ocorre porque, após o uso prolongado, as próprias gaxetas de PE ficam danificadas e envelhecidas, e a rugosidade da superfície das gaxetas muda, levando a uma diminuição na resistência em serviço e na capacidade de remoção de nitrogênio amoniacal.
A Figura 7 mostra as mudanças na concentração de nitrogênio amoniacal influente, concentração de nitrogênio amoniacal efluente, quantidade de remoção de nitrogênio amoniacal e taxa de remoção de nitrogênio amoniacal durante a operação de longo-prazo do processo acoplado MBBR-AO com gaxetas PPC. As concentrações de massa de nitrogênio amoniacal afluentes do esgoto combinado de águas pluviais-da Estação de bombeamento 1 [Figura 7(a)] e da Estação de bombeamento 2 [Figura 7(b)] variaram de 3 a 35 mg/L, com concentrações médias de massa de nitrogênio amoniacal influente de 10,96 mg/L e 8,10 mg/L, respectivamente. Após o tratamento pelo processo acoplado MBBR-AO, as concentrações médias de massa de nitrogênio amoniacal no efluente diminuíram para 3,96 mg/L e 3,39 mg/L, com quantidades médias de remoção de 7,00 mg/L e 4,71 mg/L, e taxas médias de remoção de 63,87% e 58,15%, respectivamente. Durante a operação de longo-prazo do processo acoplado MBBR-AO, a adição de embalagens PPC teve um efeito de degradação ligeiramente melhor no nitrogênio amoniacal no esgoto combinado de águas pluviais-da Estação de bombeamento 1 do que da Estação de bombeamento 2, mas a diferença não foi significativa. Isso indica que a adição de empacotamentos PPC no processo acoplado MBBR-AO tem um certo efeito de remoção no nitrogênio amoniacal no esgoto combinado de águas pluviais-durante a operação-de longo prazo. A taxa de remoção de nitrogênio amoniacal do processo acoplado MBBR-AO com gaxetas PPC durante a operação de longo-prazo foi maior do que durante a operação de curto-prazo. Isso ocorre porque durante a operação-de longo prazo, o lodo se acumula dentro das embalagens do PPC, formando um ambiente anaeróbico ou anóxico local, que fornece um ambiente de vida adequado para as atividades vitais das bactérias nitrificantes. As bactérias nitrificantes se reproduzem rapidamente e a taxa de reação local acelera
Em resumo, a adição de gaxetas de PE é mais propícia à degradação do nitrogênio amoniacal no esgoto combinado de águas pluviais-pelo processo acoplado MBBR-AO durante a operação-de longo prazo. Enquanto isso, as gaxetas de PE devem ser substituídas ou limpas em tempo hábil após o uso-de longo prazo para garantir que o nitrogênio amoniacal no esgoto ainda possa ser efetivamente removido durante a operação-de longo prazo do processo acoplado ao MBBR-AO.
Vida útil de embalagens-biotransportadoras com diferentes materiais
Em comparação com as gaxetas PPC, as gaxetas de PE têm uma vida útil mais longa durante o-tratamento de longo prazo de águas de rios micro{1}}poluídas e águas pluviais combinadas-de esgoto pelo processo acoplado MBBR-AO. Conforme mostrado na Figura 8(a), as gaxetas PPC sofrem escória e danos durante o processo de tratamento de esgoto pelo processo acoplado MBBR-AO. Enquanto isso, o envelhecimento e a aglomeração ocorrem dentro das embalagens após operação de longo-prazo [Figuras 8(b) e 8(c)]. As gaxetas PPC apresentam baixa permeabilidade ao lodo. Embora as gaxetas esponjosas-como PPC tenham uma grande área de superfície específica, seus poros internos são facilmente adsorvidos pelo lodo e difíceis de escoar. O acúmulo-de longo prazo de lodo dentro dos recheios tende a formar um ambiente anaeróbico ou anóxico, fazendo com que a cor dos recheios mude gradualmente de marrom para preto. Isso leva a problemas como escória, quebra, envelhecimento e aglomeração das gaxetas do PPC durante a operação-de longo prazo, encurtando assim sua vida útil. Este também é o principal fator para o fraco efeito das embalagens de PPC na remoção de nitrogênio amoniacal do esgoto combinado de águas pluviais [Figuras 5 (a) e 5 (b)]. Em contrapartida, as gaxetas de PE basicamente não apresentaram os problemas acima durante o tratamento de esgoto de longo-prazo pelo processo acoplado MBBR-AO, com melhor durabilidade e maior vida útil. Uma configuração de suporte razoável pode efetivamente amortecer o impacto do fluxo de água no biofilme, permitindo que o biofilme cresça de forma estável sem ser danificado.
Conclusões
Neste estudo, embalagens bio{0}}portadoras de PE e embalagens PPC foram adicionadas durante o processo de tratamento de esgoto do processo acoplado MBBR-AO. Os efeitos dos materiais de embalagem na degradação do nitrogênio amoniacal em águas micro{3}}poluídas de rios e esgotos pluviais combinados-, bem como a taxa de formação de biofilme microbiano e a vida útil de embalagens com diferentes materiais, foram investigados. Em comparação com as gaxetas PPC, as gaxetas PE têm uma taxa de formação de biofilme mais lenta, mas uma vida útil mais longa. Enquanto isso, seja usado no tratamento de longo-ou curto{8}}prazo de água de rio micro-poluída e esgoto combinado de águas pluviais-pelo processo acoplado MBBR-AO, as embalagens de PE apresentam melhores efeitos de degradação no nitrogênio amoniacal. Os resultados da pesquisa fornecem suporte técnico para a seleção de materiais de embalagem em processos de tratamento de esgoto.