Élimination de l'azote ammoniacal de l'eau de rivière micro-polluée et des eaux usées combinées à l'aide de garnitures MBBR de différents matériaux
Le réacteur à biofilm à lit mobile (MBBR) combine les avantages du procédé à boues activées et du procédé à biofilm traditionnel, ce qui en fait une technologie innovante et révolutionnaire dans le traitement biologique moderne des eaux usées. De nombreuses études antérieures ont montré que le procédé MBBR peut réduire efficacement la pression d'élimination de l'azote des eaux usées urbaines. Les emballages de bio-supports du processus MBBR peuvent transporter le biofilm vers l'ensemble du réacteur, favoriser le contact entre le biofilm, l'oxygène et les substrats de réaction et améliorer l'efficacité des réactions de dégradation. En raison de leurs caractéristiques uniques de stabilité et de densité, ils ont de larges perspectives d’application.
À l'heure actuelle, la plupart des emballages de bio-supports MBBR sont principalement constitués de matériaux tels que le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polyuréthane (PU) et le polyuréthane poreux (PPC). Parmi eux, les garnitures MBBR à base de PE- ont un bon effet d'élimination sur la chrome, le CODCr, l'azote ammoniacal, l'azote total, le carbone organique total et les phénols volatils dans les eaux usées ; Les garnitures PP sont principalement utilisées dans les processus combinés MBBR, tels que le processus combiné MBBR-AO et le processus combiné MBBR-MBR ; Les emballages PU et PPC ont une porosité élevée, ce qui peut fournir une plus grande zone de fixation pour les micro-organismes, permettant aux micro-organismes de se développer rapidement et de manière stable, éliminant ainsi efficacement les polluants organiques et divers nutriments présents dans les eaux usées. Les emballages PE et PPC sont actuellement deux types largement utilisés. Les garnitures PE sont plus largement appliquées avec de meilleures performances, tandis que les garnitures PPC ont une plus grande hydrophilie et une plus grande surface spécifique, qui sont plus propices à la fixation des micro-organismes. Les deux types de garnitures ont leurs propres avantages et inconvénients, et tous deux possèdent une bonne résistance mécanique et un faible coût. Cependant, il existe peu de rapports sur leurs effets d'élimination de l'azote ammoniacal des eaux de rivière micro-polluées et des eaux pluviales combinées-des eaux usées dans le processus couplé MBBR-AO. Cet article explore l'impact de l'ajout de différents types de garnitures de support bio-MBBR (matériaux PE et PPC) dans le processus couplé MBBR-AO sur l'efficacité de l'élimination de l'azote ammoniacal de l'eau de rivière micro-polluée et des eaux pluviales combinées-eaux usées. Simultanément, il analyse le taux de formation de biofilm et la durée de vie de différents emballages de support bio-MBBR, dans le but d'améliorer les méthodes de sélection spécifiques de différents emballages de support bio-MBBR dans le processus MBBR pour le traitement des eaux usées.
1. Processus de traitement des eaux usées
1. 1Détails du flux de processus et de l'emballage du support biologique-
Le dispositif de traitement des eaux usées utilisé dans cette étude est un réacteur à lit fluidisé biologique-auto-conçu, adoptant le processus couplé MBBR-AO. Le flux principal du processus est illustré à la figure 1 (a), et l'équipement spécifique comprend une grille, une pompe de levage, des garnitures de support bio-MBBR, un réservoir intégré d'élimination de l'azote biologique à haute-efficacité, un bassin de sédimentation à haute-efficacité, un système d'aération, etc. Le débit d'influent du réacteur est de 50 m³/j (environ 2 m³/h), le temps de rétention hydraulique effectif est de 5 heures et le le volume efficace du réacteur est d'environ 10 m³.
Les emballages de support bio-MBBR dans le dispositif de traitement des eaux usées sont des emballages à base de PE-et des emballages de support en gel PPC. Les garnissages à base de PE- se présentent sous la forme de rayonnements annulaires d'une taille de Φ25 mm × 10 mm, de 19 trous et de canaux pentagonaux, avec une surface spécifique d'environ 500 m²/m³ [Figure 1(b)] ; les emballages de support de gel PPC sont cubiques avec une taille de Φ10 mm × 10 mm × 10 mm et une surface spécifique d'environ 5 000 m²/m³ [Figure 1 (c)].
1.2 Qualité des eaux usées
Dans cette étude, le dispositif de traitement des eaux usées a été utilisé pour traiter deux types de plans d'eau : les eaux de rivière micro-polluées et les eaux pluviales combinées-. L'eau de rivière micro-polluée provenait d'une rivière urbaine dans une région du Zhejiang avec de faibles niveaux de pollution, et sa concentration en azote ammoniacal était relativement faible, avec une concentration massique moyenne de 5 mg/L. Les eaux pluviales combinées-étaient la source d'influent de deux stations de pompage des eaux usées (station de pompage 1 et station de pompage 2) d'une usine de traitement des eaux usées du Zhejiang, avec une concentration d'azote ammoniacal relativement élevée allant de 3 à 20 mg/L. En effet, certains oxydes d'azote présents dans l'air réagissent avec l'eau de pluie pour former de l'acide nitrique ou des nitrates pendant la période de pluie, ce qui est plus propice à la reproduction des bactéries oxydant l'ammoniac, ce qui entraîne une teneur en azote ammoniacal relativement élevée dans les eaux usées. Pendant ce temps, le pH des deux plans d’eau a été maintenu entre 7 et 9.
1.3 Paramètres de fonctionnement du dispositif de traitement des eaux usées
1.2.1 Processus initial de formation du biofilm
Le système de traitement des eaux usées a été démarré en ajoutant des emballages par lots pour la formation de biofilm. Selon l'effet de fluidisation réel des garnissages dans le réacteur, la fraction volumique finale des garnissages ajoutés a été déterminée à 20 %. Pendant le processus de démarrage-, les boues en suspension dans le système n'ont pas été renvoyées et le taux de retour des boues pendant le traitement des eaux usées était de 1 : 8.
1.2.2 Contrôle des paramètres de fonctionnement de l'appareil
Le dispositif de traitement des eaux usées fonctionnait à température ambiante (20 degrés). L'équipement d'aération situé au bas de l'appareil était utilisé pour contrôler le taux d'aération pendant le traitement des eaux usées. Parallèlement, le débit d'entrée de l'appareil a été contrôlé à 2 m³/h, et les autres paramètres pendant le traitement des eaux usées sont restés fondamentalement cohérents. Les eaux pluviales combinées -des stations de pompage 1 et 2, ainsi que les eaux de rivière micro-polluées, ont été sélectionnées comme échantillons d'eau d'afflux.
2. Résultats et discussion
2.1 Taux de formation de biofilm des emballages MBBR avec différents matériaux
Pendant la phase de démarrage-du dispositif de traitement des eaux usées, la qualité de l'eau entrante était stable. Après avoir ajouté les emballages par lots, les emballages ont subi une formation et une maturation normales de biofilm.
Dans les mêmes conditions de fonctionnement, le taux de formation de biofilm des emballages de bio-supports contenant différents matériaux variait considérablement en raison de leurs caractéristiques inhérentes. Le taux de formation de biofilm des emballages à base de PE- était relativement lent, nécessitant l'ajout de produits chimiques tels que le glucose pour la culture en aération fermée. En observant le fonctionnement des garnitures PE et PPC dans le procédé couplé MBBR-AO, il a été constaté qu'environ 5 jours après l'ajout des garnitures PE, un mince biofilm brun jaunâtre-apparaissait à la surface des supports. Après un fonctionnement continu pendant environ 1 semaine, un grand nombre de paramécies, d'épistyles, de rotifères et une petite quantité de vorticelles sont apparus sur la surface du support, indiquant que le biofilm était fondamentalement mature et que le démarrage du système - était terminé à ce moment-là. En revanche, le taux de formation du biofilm des emballages PPC était plus rapide et le biofilm était essentiellement mature en 3 jours environ, tandis que les boues pouvaient être adsorbées à l'intérieur des emballages. La formation de biofilm contribue à améliorer l’activité des bactéries oxydantes de l’ammoniac. Par rapport aux garnitures PE, la grande surface spécifique des garnitures PPC est plus propice à la formation de biofilm et à l’immobilisation microbienne. Pour les garnitures en PE du même matériau traitant différents types d'eaux usées, l'effet de formation de biofilm des garnitures a également montré des différences significatives. La figure 2 (a) montre qu'il y avait un mince biofilm brun clair à la surface des emballages en PE dans l'eau de rivière micro-polluée. Cependant, la figure 2 (b) montre que la couche de biofilm à la surface des emballages en PE dans les eaux pluviales combinées - était fragmentée, ce qui indique que l'effet de formation de biofilm des emballages en PE dans l'eau de rivière micro - polluée était nettement meilleur que celui des eaux pluviales combinées -. Il ressort des figures 2(c) et 2(d) que la différence dans l'effet de formation de biofilm des emballages PPC dans l'eau de rivière micro-polluée et les eaux pluviales combinées-les eaux usées n'était pas significative.
2. 2 Capacité d'élimination de l'azote ammoniacal des emballages de bio-supports avec différents matériaux
La teneur en azote ammoniacal est un indicateur clé pour évaluer l’effet réel du traitement des eaux usées des stations de pompage. Par conséquent, la capacité d'élimination de l'azote ammoniacal a une importance pratique importante pour la sélection des types de garnissage de bio-supports dans le processus couplé MBBR-AO.
2. 3 Effet d'élimination de l'azote ammoniacal des emballages PE et PPC sur l'eau de rivière micro-polluée pendant le fonctionnement à court-terme du processus
Comme le montre la figure 3, les concentrations massiques moyennes d'azote ammoniacal dans l'influent du procédé couplé MBBR-AO avec des garnissages PE et PPC étaient respectivement de 3,69 mg/L et 3,39 mg/L. Pendant ce temps, la concentration réelle d’azote ammoniacal dans l’influent a fluctué considérablement, en raison des précipitations. Dans le processus avec des emballages PE, la quantité moyenne d'azote ammoniacal éliminé et le taux moyen d'élimination de l'eau de rivière micro-polluée étaient respectivement de 3,12 mg/L et 84,55 %, ce qui était supérieur à ceux du processus avec des emballages PPC (2,56 mg/L et 75,52 %). Cela indique que l'ajout de garnissages PE dans le processus couplé MBBR-AO est plus propice à l'élimination de l'azote ammoniacal de l'eau de rivière micro-polluée à court terme (dans les 12 jours).
2.4 Effet d'élimination de l'azote ammoniacal des garnitures en PE et PPC sur les eaux pluviales combinées-les eaux usées pendant le fonctionnement à court-terme du processus
Comme le montre la figure 4, pendant le fonctionnement à court-terme (18-jours) du processus couplé MBBR-AO avec des garnitures en PE, les concentrations massiques moyennes d'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées-des eaux usées de la station de pompage 1 [Figure 4(a)] et de la station de pompage 2 [Figure 4(b)] étaient respectivement de 7,24 mg/L et 9,35 mg/L. Lorsque des garnitures en PE ont été ajoutées lors du traitement à court-terme (18-jours) des eaux pluviales combinées-des eaux usées de la station de pompage 1 et de la station de pompage 2 à l'aide du procédé couplé MBBR-AO, la concentration d'azote ammoniacal dans les effluents a diminué de manière significative. Les quantités moyennes d’azote ammoniacal éliminées étaient de 6,93 mg/L et 7,9 mg/L, avec des taux d’élimination moyens de 95,71 % et 84,49 %, respectivement. Au cours du traitement à court-terme (18-jours) des eaux pluviales combinées-de la station de pompage 1, le taux d'élimination de l'azote ammoniacal est resté supérieur à 90 % et a atteint près de 100 % le 9ème jour. Les eaux usées traitées peuvent être plus propices à la croissance des micro-organismes fixés, favorisant ainsi l'élimination de l'azote ammoniacal. Pendant ce temps, pendant le traitement à court terme (18 jours) des eaux pluviales et des eaux usées combinées de la station de pompage 2, le taux d'élimination de l'azote ammoniacal est resté en grande partie autour de 90 %, ce qui indique que l'ajout de garnitures en PE dans le processus couplé MBBR-AO a un fort effet d'élimination de l'azote ammoniacal dans les eaux pluviales et les eaux usées à court terme (18 jours).
Comme le montre la figure 5, dans le processus couplé MBBR-AO avec garnissages PPC, les concentrations massiques d'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées-des eaux usées de la station de pompage 1 [Figure 5(a)] et de la station de pompage 2 [Figure 5(b)] variaient respectivement de 3 à 20 mg/L et de 3 à 22 mg/L, avec de grandes fluctuations. Cela peut être dû aux précipitations qui provoquent la pénétration d'oxydes d'azote présents dans l'air dans le système d'égouts, entraînant des fluctuations significatives de la concentration d'azote ammoniacal dans les affluents. Les concentrations massiques moyennes d'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées des eaux usées de la station de pompage 1 et de la station de pompage 2 étaient de 14,76 mg/L et 13,26 mg/L, respectivement. Après un traitement à court-terme (24 jours) par le procédé couplé MBBR-AO avec des garnissages PPC, la concentration en azote ammoniacal dans l'effluent a diminué de manière significative, avec des concentrations massiques moyennes de seulement 5,32 mg/L et 6,42 mg/L. Les quantités moyennes d'azote ammoniacal éliminées étaient de 9,44 mg/L et 6,84 mg/L, et les taux d'élimination moyens étaient de 63,96 % et 51,58 %, respectivement. Cela indique que les garnitures PPC ont un certain effet sur l'élimination de l'azote ammoniacal des eaux pluviales combinées -. La concentration élevée d'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées - peut être due à l'introduction d'autres composants complexes dans les eaux usées, inhibant ainsi la dégradation de l'azote ammoniacal par les garnissages PPC. Par rapport aux garnitures PE, les garnitures PPC ont des pores plus petits et une porosité plus élevée. Les impuretés et les particules en suspension dans les eaux pluviales combinées - peuvent obstruer les pores des garnitures PPC, entraînant une agglomération à l'intérieur des garnitures et réduisant ainsi l'efficacité d'élimination de l'azote ammoniacal. Parallèlement, des études antérieures ont montré que les biofilms inférieurs à 1 mm peuvent provoquer un blocage des pores à l'intérieur des emballages. Même si les biofilms peuvent accélérer le blocage interne des garnissages, ils ne constituent pas le facteur principal.
Au cours de l'exploitation à court terme du procédé couplé MBBR{{1}AO, les taux moyens d'élimination de l'azote ammoniacal des garnitures en PE pour les eaux pluviales combinées-(95,71 % pour la station de pompage 1 et 84,49 % pour la station de pompage 2) étaient légèrement supérieurs à ceux des eaux de rivière micro-polluées (84,55 %). En revanche, les taux moyens d'élimination de l'azote ammoniacal des garnitures PPC pour les eaux pluviales combinées (63,96 % pour la station de pompage 1 et 51,58 % pour la station de pompage 2) étaient légèrement inférieurs à ceux des eaux de rivière micro-polluées (75,52 %). Pour les garnitures en PE, par rapport à l'eau de rivière micro-polluée, la faible concentration d'oxygène dissous dans les eaux pluviales combinées-est plus propice à la nitrification et à la dénitrification simultanées des micro-organismes sur les garnitures en PE pour l'élimination de l'azote. Lors de la formation du biofilm des garnissages PPC, les boues sont adsorbées à l'intérieur des garnissages, entraînant une augmentation de la concentration en oxygène dissous, ce qui n'est pas propice à la nitrification et à la dénitrification simultanées des micro-organismes internes, ce qui entraîne une diminution des taux d'élimination de l'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées -les eaux usées et les eaux de rivière micro-polluées.
En résumé, l'ajout de garnitures PE est plus propice à la dégradation de l'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées-par le processus couplé MBBR-AO à court terme.
Effet d'élimination de l'azote ammoniacal des garnitures en PE et PPC sur les eaux pluviales combinées-les eaux usées pendant le fonctionnement à long-terme du processus
Comme le montre la figure 6, pendant l'exploitation à long-terme (96-jours) du processus couplé MBBR-AO avec des garnitures en PE, les concentrations massiques d'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées-des eaux usées de la station de pompage 1 [Figure 6(a)] et de la station de pompage 2 [Figure 6(b)] variaient de 2 à 25 mg/L et de 3 à 35 mg/L. mg/L, respectivement, avec de grandes fluctuations. Les concentrations massiques moyennes d’azote ammoniacal dans les influents étaient respectivement de 10,20 mg/L et 8,93 mg/L. Après traitement par le procédé couplé MBBR-AO, les concentrations massiques moyennes d'azote ammoniacal dans l'effluent ont diminué à 2,93 mg/L et 2,67 mg/L, avec des quantités moyennes d'élimination de 7,27 mg/L et 6,26 mg/L et des taux d'élimination moyens de 71,27 % et 70,10 %, respectivement. Il n'y avait pas de différence significative dans la dégradation de l'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées-de la station de pompage 1 et de la station de pompage 2 en ajoutant des garnitures en PE pendant le fonctionnement à long-(96-jours) du processus couplé MBBR-AO, et les taux d'élimination de l'azote ammoniacal ont été maintenus à environ 74 %. Cela indique que l'ajout de garnitures PE dans le processus couplé MBBR-AO a un bon effet d'élimination de l'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées-eaux usées pendant une opération à long-terme (96-jours). Lorsque le processus couplé MBBR-AO avec des garnitures PE a fonctionné à un stade ultérieur (84 à 96 jours), que l'influent soit constitué d'eaux pluviales et d'eaux usées combinées de la station de pompage 1 ou de la station de pompage 2, la concentration en azote ammoniacal des effluents a augmenté de manière significative et le taux d'élimination de l'azote ammoniacal était nettement inférieur au taux d'élimination de près de 90 % au début de l'opération du processus. En effet, après une utilisation à long terme, les garnitures PE elles-mêmes sont endommagées et vieillies, et la rugosité de la surface des garnitures change, entraînant une diminution de la résistance de service et de la capacité d'élimination de l'azote ammoniacal.
La figure 7 montre les changements dans la concentration d'azote ammoniacal dans l'influent, la concentration d'azote ammoniacal dans les effluents, la quantité d'azote ammoniacal éliminé et le taux d'élimination de l'azote ammoniacal au cours du fonctionnement à long-terme du processus couplé MBBR-AO avec des garnissages PPC. Les concentrations massiques d'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées -des eaux usées de la station de pompage 1 [Figure 7(a)] et de la station de pompage 2 [Figure 7(b)] variaient de 3 à 35 mg/L, avec des concentrations massiques moyennes d'azote ammoniacal dans l'influent de 10,96 mg/L et 8,10 mg/L, respectivement. Après traitement par le procédé couplé MBBR-AO, les concentrations massiques moyennes d'azote ammoniacal dans l'effluent ont diminué à 3,96 mg/L et 3,39 mg/L, avec des quantités moyennes d'élimination de 7,00 mg/L et 4,71 mg/L et des taux d'élimination moyens de 63,87 % et 58,15 %, respectivement. Au cours du fonctionnement à long terme du procédé couplé MBBR{{23}AO, l'ajout de garnitures PPC a eu un effet de dégradation légèrement meilleur sur l'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées-de la station de pompage 1 que celle de la station de pompage 2, mais la différence n'était pas significative. Cela indique que l'ajout de garnitures PPC dans le processus couplé MBBR-AO a un certain effet d'élimination de l'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées-eaux usées pendant-exploitation à long terme. Le taux d'élimination de l'azote ammoniacal du processus couplé MBBR-AO avec des garnitures PPC pendant le fonctionnement à long-était supérieur à celui pendant le fonctionnement à court-fonctionnement. En effet, lors d'un fonctionnement à long terme-, les boues s'accumulent à l'intérieur des garnissages PPC, formant un environnement anaérobie ou anoxique local, qui fournit un environnement de vie approprié aux activités vitales des bactéries nitrifiantes. Les bactéries nitrifiantes se reproduisent rapidement et la vitesse de réaction locale s'accélère
En résumé, l'ajout de garnitures en PE est plus propice à la dégradation de l'azote ammoniacal dans les eaux pluviales combinées-par le processus couplé MBBR-AO pendant-exploitation à long terme. Pendant ce temps, les garnitures en PE doivent être remplacées ou nettoyées en temps opportun après une utilisation à long-terme pour garantir que l'azote ammoniacal présent dans les eaux usées peut toujours être efficacement éliminé pendant le-fonctionnement à long terme du processus couplé MBBR-AO.
Durée de vie des emballages de bio-supports avec différents matériaux
Par rapport aux garnitures PPC, les garnitures PE ont une durée de vie plus longue lors du traitement à long terme-des eaux de rivière micro-et des eaux pluviales combinées-par le processus couplé MBBR-AO. Comme le montre la figure 8 (a), les garnitures PPC subissent des scories et des dommages pendant le processus de traitement des eaux usées par le processus couplé MBBR-AO. Pendant ce temps, le vieillissement et l'agglomération se produisent à l'intérieur des garnissages après un fonctionnement à long -terme [Figures 8(b) et 8(c)]. Les garnitures PPC ont une mauvaise perméabilité aux boues. Bien que les garnitures PPC de type éponge- aient une grande surface spécifique, leurs pores internes sont facilement adsorbés par les boues et difficiles à s'écouler. L'accumulation à long terme de boues à l'intérieur des garnissages a tendance à former un environnement anaérobie ou anoxique, provoquant un changement progressif de la couleur des garnissages du brun au noir. Cela entraîne des problèmes tels que des scories, des ruptures, un vieillissement et une agglomération des garnitures PPC lors d'un fonctionnement à long -, raccourcissant ainsi leur durée de vie. C'est également le principal facteur expliquant le faible effet des garnitures PPC dans l'élimination de l'azote ammoniacal des eaux pluviales combinées -eaux usées [Figures 5 (a) et 5 (b)]. En revanche, les garnitures en PE n'ont fondamentalement pas rencontré les problèmes ci-dessus lors du traitement des eaux usées à long terme -par le processus couplé MBBR-AO, avec une meilleure durabilité et une durée de vie plus longue. Une configuration raisonnable du support peut efficacement amortir l’impact du débit d’eau sur le biofilm, permettant ainsi au biofilm de se développer de manière stable sans être endommagé.
Conclusions
Dans cette étude, des garnitures de support bio-PE et des garnitures PPC ont été ajoutées au cours du processus de traitement des eaux usées du processus couplé MBBR-AO. Les effets des matériaux de garnissage sur la dégradation de l'azote ammoniacal dans les eaux de rivière micro-polluées et les eaux pluviales combinées-les eaux usées, ainsi que le taux de formation de biofilm microbien et la durée de vie des garnissages constitués de différents matériaux, ont été étudiés. Par rapport aux garnitures PPC, les garnitures PE ont un taux de formation de biofilm plus lent mais une durée de vie plus longue. Pendant ce temps, qu'ils soient utilisés dans le traitement à long-ou à court-terme des eaux de rivière micro-polluées et des eaux pluviales combinées-des eaux usées par le procédé couplé MBBR-AO, les garnitures en PE présentent de meilleurs effets de dégradation sur l'azote ammoniacal. Les résultats de la recherche fournissent un soutien technique pour la sélection des matériaux de conditionnement dans les processus de traitement des eaux usées.