농촌 생활폐수 처리를 위한 A2O-MBBR + CW 결합 기술의 효과
최근 몇 년 동안 국가는 농촌 진흥 발전 전략을 깊이 추진하여 생활 환경 개선에 중점을 두고 농촌 생활 폐수 처리에 대한 수요를 높였습니다. 현재 농촌 생활하수처리의 주요 공정에는 생물학적 방법, 생태학적 방법, 복합공정 등이 있으며, 대부분 도시하수처리에서 비롯된다. 그러나 농촌지역은 인구가 분산되어 있는 특성이 있어 폐수 분산이 높고, 수거가 어렵고, 처리규모가 작고, 자원이용률이 낮으며, 처리시설이 부족한 등 많은 문제를 안고 있다. 또한, 지역별로 폐수 수질 및 수량, 지리적 위치, 기후, 경제 수준 등의 상당한 차이가 존재하여 처리 기술의 표준화가 어렵습니다. 도시폐수처리 기술의 단순한 도입은 불가능하다. 하수망과 같은 폐수 수집을 위한 인프라는 농촌 지역에 부족한 경우가 많습니다. 폐수 수집은 합류식 하수 범람 및 지하수 침투에 의해 쉽게 영향을 받아 폐수 내 유기 농도가 낮아지고 생물학적 질소 제거가 어려워집니다. 농촌 지역에서는 폐수의 질과 양이 크게 변동하므로 처리 시설에서 안정적인 바이오매스 농도를 유지하기가 어렵습니다. 더욱이, 낮은 겨울 온도는 생물학적 처리 능력을 제한하여 효율성이 낮아지고 기존 활성 슬러지 공정의 표준을 초과하기 쉬운 불안정한 유출수 품질로 이어집니다. 따라서 충격 하중에 대한 강한 저항성, 안정적인 장기 운전, 낮은 에너지 소비, 높은 처리 효율 등을 갖춘 현지 조건에 적합한 폐수 처리 기술의 개발이 시급합니다.
중국의 농촌 지역은 생물학적 + 생태학적 결합 과정이 주요 연구 방향인 저비용, 관리가 용이한--가정 폐수 처리 기술을 선호하는 경향이 있습니다. 현재 농촌 지역에서 널리 사용되는 통합형 포장형 폐수 처리 장비는 주로 혐기성-무산소-산소성(A2O) 및 이동층 생물막 반응기(MBBR)와 같은 공정을 사용합니다. 연구에 따르면 MBBR 프로세스는 정밀한 운영 제어보다는 시설 설계에 더 의존하므로 규제를 위한 전문 기술 인력이 필요하지 않아 운영 및 유지 관리가 편리합니다. 이는 기술 인력이 부족한 농촌 가정 폐수 처리의 실제 요구에 더 적합합니다. 장점으로는 높은 바이오매스 농도, 충격 부하에 대한 강한 저항성, 높은 처리 효율성, 작은 설치 공간 등이 있습니다. Luo Jiawen 등의 연구. A2O 공정에 MBBR 매체를 추가하면 폐수 처리 능력이 크게 향상될 수 있음을 나타냅니다. 실제 농촌 가정 폐수 프로젝트에서 Zhou Zhengbing 등은 2단계 혐기성/무산소-생물학적 폭기 필터 결합 공정을 설계하여 GB 18918-2002 "시립 폐수 처리장의 오염 물질 배출 표준" A등급 표준을 충족하는 안정적인 유출수 품질을 달성했습니다. 또한 건설된 습지(CW)는 시골 지역의 가정 폐수 처리에 자주 사용됩니다. 예를 들어, Zhang Yang et al. 건설된 습지를 수정하기 위해 바이오 숯을 필러로 사용하여 TN, TP 및 COD에 대한 제거율이 각각 99.41%, 91.40% 및 85.09%에 도달할 수 있음을 발견했습니다. 우리 그룹의 이전 연구에서는 또한 슬러지 바이오 숯 충전재가 건설된 습지의 질소 및 인 제거 성능을 향상시켜 전체 시스템의 처리 효율성과 효율성을 향상시키고 시스템이 충격 부하에 더 잘 견딜 수 있게 만들 수 있음을 보여주었습니다. 위의 연구를 바탕으로 농촌 가정 폐수 처리에 적합한 결합 기술을 탐색하고 농촌 폐수 처리 시설에서 안정된 바이오매스 농도 유지의 어려움, 충격 부하에 대한 약한 저항성, 변동하기 쉬운 유출수 품질 및 기준 초과 등의 과제를 해결하기 위해 저자는 A2O{29}}MBBR 공정을 미리 배치하고 부유 생물막 담체로 채워 통합된 고정-막 활성 슬러지(IFAS) 환경을 조성하고 시스템 슬러지 농도를 높이고 처리를 강화했습니다. 효율성. 농촌 지역의 연못, 함몰지 등 이용 가능한 유휴지를 생태학적으로 활용하고, 인공 습지를 연마 처리 공정으로 결합하는 점을 고려하여, 슬러지 바이오 숯 충진제 사용, 질화액 순환, 수중 식물 식재 등의 방법을 사용하여 복합 습지의 운영 안정성을 높였습니다. 따라서 A2O-MBBR + CWs 결합 공정이 구축되었습니다.
이 연구에서는 허페이(Hefei)에 있는 마을 폐수 처리장의 원폐수를 처리 대상으로 사용하여 A2O-MBBR + CW 결합 공정의 파일럿{0}}규모 실험 설정을 구축했습니다. 계절별 수온변화가 처리성능에 미치는 영향을 조사하였다. 제거 효율성과 운영 안정성을 조사하기 위해 운영 중에 유입수와 유출수의 오염 물질 지표를 모니터링했습니다. 동시에 공정의 경제성도 분석됐다. 목표는 중국의 농촌 가정 폐수 처리 프로젝트에 A2O + 건설 습지 결합 기술을 적용하기 위한 데이터 참조 및 기초를 제공하고, 가정 폐수 처리를 촉진하고 농촌 지역에서 아름답고 생태학적으로 살기 좋은 마을을 건설하기 위한 참고 자료를 제공하는 것입니다.
1. 실험 설정 및 연구 방법
1.1 결합된 프로세스 흐름
A2O-MBBR + CW 결합 공정 실험은 A2O 장치, 탄소- 기반 지하 흐름 습지 및 생태 연못의 일련의 작동을 채택했습니다. A2O 장치는 배플된 혐기성-무산소 접촉 탱크와 호기성 막 탱크(MBBR)로 구성되었습니다. 배플된 혐기성 탱크와 호기성 MBBR 탱크의 폭기 구역 모두 부유 생물막 운반 매체로 채워져 미생물이 생물막을 형성할 수 있는 부착 표면을 제공했습니다. 탱크 내의 활성 슬러지와 생물막이 공존하여 IFAS 시스템을 형성하여 시스템 바이오매스를 안정적으로 유지할 수 있었습니다. 당황한 무산소조는 질화액 재순환을 통해 탈질 과정을 향상시켰습니다. 호기성 MBBR 탱크는 질화 성능을 향상시키기 위해 바닥에 폭기 시스템을 갖추고 있습니다. 보충적인 화학적 인 제거를 위해 탱크 내부에 폴리염화알루미늄(PAC) 주입 포트가 설치되어 효율적인 인 제거가 가능해졌습니다. CW 단위에는 탄소- 기반 지하 흐름 습지와 수중 식물 생태 연못이 포함되었습니다. 탄소-기반 지하 흐름 건설 습지는 3단계-충진 여과 시스템을 채택했습니다. 막힘을 완화하기 위해 매체를 역세척하기 위해 필러 영역 하단에 폭기 디스크를 설치했습니다. 수중 식물 생태 연못은 바닥에 석회암 기질층이 있고 내한성 수중 식물인 Vallisneria natans 및 Potamogeton 크리스퍼스를 심었습니다.{20}} 설치는 야외에 배치되었습니다. 계절별 수온 변화를 모니터링하기 위해 생태연못에 온도계를 설치했습니다. A2O-MBBR + CW 결합 공정의 자세한 공정 흐름은 다음과 같습니다.그림 1.
1.2 설정 설계 및 작동 매개변수
실험 설정은 10mm 두께의 폴리프로필렌 플레이트를 사용하여 구성되었습니다. 배플된 혐기성 탱크는 정사각형 생물막 운반 매체로 채워지고 배플 플레이트가 포함되어 있습니다. 배플형 무산소조의 혼합액 재순환율은 50%~150%였으며, 배플판도 포함되어 있었다. 호기성 MBBR 탱크는 배플에 의해 호기성 폭기 구역과 침전 구역으로 나누어졌습니다. 폭기 구역은 공기-대-비율이 6:1~10:1인 MBBR 부유 운반 매체로 채워졌습니다. 침전 구역에는 PAC 투여 포트와 침전 보조용 경사판이 있었습니다. 탄소- 기반 지하 흐름 습지: 1차 충전 구역은 석회석(직경 ~5cm)으로 채워졌고, 2차 충전 구역은 제올라이트(직경 ~3cm)로, 3차 충전 구역은 슬러지 바이오 숯 충전재(직경 ~0.5~1.0cm)로 채워졌습니다. 각 구역의 필러 높이는 75cm였습니다. 외부 탄소원 추가, 관찰, 유지/비움 등의 기능을 위해 1차 필러 영역과 2차 필러 영역 사이에 약 4cm 폭의 간격 영역을 설정했습니다(본 실험에서는 탄소원을 추가하지 않았습니다). 수중 식물 생태 연못은 높이 20cm에 석회석 충전재(직경 ~3cm)를 채웠습니다. 물속에 잠긴 식물은 줄 간격 10cm, 식물 간격 10cm로 심었습니다. 실험에서는 허페이(Hefei)에 있는 마을 폐수 처리장의 원폐수를 유입수로 사용했습니다. 실험기간은 2022년 5월 25일부터 2023년 1월 17일까지 총 239일이었다. 수중 식물은 12월 2일에 한 번 수확되었으며, 빈도는 대략 6개월에 한 번이었습니다. 설계된 폐수처리 용량은 50~210L/d이다. 설정의 자세한 설계 매개 변수는 다음과 같습니다.표 1.
1.3 실험 방법
1.3.1 실험 설계
1.3.1.1 최적 폐수 처리 능력 시험
실험 장치(안정적인 방류수 수질)의 성공적인 시범 운영 후, 2022년 5월 25일부터 2022년 6월 30일까지 최적 폐수 처리 능력 테스트가 진행되었습니다. 호기조 공기-:-물 비율 6:1, 질화액 재순환 비율 100%, PAC(Al2O3 함량 28%) 사용량 약 3.7을 유지하는 조건에서 g/d에 따라 시설의 폐수 처리 용량이 점차 증가되었습니다(50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 L/d). 배출수 품질의 변화를 모니터링하여 시설의 최적 폐수 처리 용량을 탐색했습니다. 이 기간 동안 수온은 24.5~27.1도 사이였습니다. 겨울철 배출수 규정을 안정적으로 보장하기 위해 채택된 배출수 표준은 GB 18918-2002 "시립 폐수 처리장의 오염 물질 배출 표준" A등급 표준입니다.
1.3.1.2 복합공정 종합처리 성능시험
시험기간은 2022년 7월 1일부터 2023년 1월 17일까지이며, 최적 폐수처리 용량은 120L/d로 설정하였다. 호기조 공기-대-물 비율은 6:1~10:1이고, 혼합액 재순환 비율은 50%~150%였습니다. 유입수 및 유출수 수질 지표(TN, TP, NO3--N, NH4+각 프로세스 단위의 -N 및 COD)가 모니터링되었습니다. 테스트 기간 동안의 수온 변화(계절 기후의 영향)를 기록했습니다. A2O-MBBR + CWs 복합공정의 농촌생활하수 처리성능을 분석하고, 계절별 수온변화가 복합공정 성능에 미치는 영향을 조사하였다.
1.3.2 샘플링
시험기간 동안 수질검사를 위해 불규칙적으로(주당 1~2회 정도) 시료를 채취하였습니다. 샘플은 설정 유입수, 방해된 혐기성-무산소 탱크 배출수, 호기성 MBBR 탱크 배출수, 탄소- 기반 지하 흐름 습지 배출수 및 수중 식물 생태 연못 배출수에서 수집되었습니다. 유입수 샘플은 설비의 유입 파이프에서 채취되었고, 유출수 샘플은 각 장치의 출구에서 채취되었습니다. 샘플링 당일 수질 지표 테스트가 완료되었습니다. 테스트된 지표에는 TN, TP, NO가 포함됩니다.3--N, NH4+-N 및 COD. 샘플을 채취할 때마다 생태연못의 온도계에서 판독한 수온이 기록되었습니다(0~32도 사이에서 다양함). 생태연못의 수온은 계절별 기온차에 따라 자연적으로 변화합니다. 실험 설정을 위해 설계된 배출수 표준은 DB 34/3527-2019 "농촌 가정 폐수 처리 시설에 대한 수질 오염 물질 배출 표준"의 A급 표준을 따랐습니다. 설계된 유입수 농도와 유출수 기준은 다음 항목에 자세히 설명되어 있습니다.표 2.
1.3.3 수질 분석 방법
물 샘플의 TN 농도는 HJ 636-2012 "수질 - 총 질소 측정 - 알칼리성 과황산칼륨 소화 UV 분광광도법"을 사용하여 측정되었습니다. 아니요3--N 농도는 HJ/T 346-2007 "수질 - 질산염 질소 측정 - 자외선 분광광도법(시험)"을 사용하여 측정되었습니다. NH4+-N 농도는 HJ 535-2009 "수질 - 암모니아 질소 측정 - Nessler의 시약 분광광도법"을 사용하여 측정되었습니다. COD는 HJ 828-2017 "수질 - 화학적 산소 요구량 측정 - 중크롬산염 방법"을 사용하여 결정되었습니다. TP 농도는 GB 11893-1989 "수질 - 총 인 측정 - 암모늄 몰리브데이트 분광 광도법"을 사용하여 측정되었습니다.
2. 결과 및 고찰
2.1 폐수 처리 능력이 복합 공정 성능에 미치는 영향
에 표시된 바와 같이그림 2 (a)(b), 일일 폐수 처리 용량이 50L/d에서 210L/d로 점차 증가함에 따라 TN 및 NH의 제거 효율이4+-결합과정의 각 단위별로 N이 감소하는 경향을 보였습니다. TN 제거율은 91.55%(50L/d)에서 52.17%(210L/d)로 감소했으며 NH는4+-N 제거율은 97.47%(70L/d)에서 80.68%(210L/d)로 감소했습니다. 이는 일일 폐수 처리 능력의 증가로 수리적 체류 시간이 감소하여 미생물이 오염 물질을 분해하는 시간이 단축되어 처리 성능이 저하되기 때문입니다. 그 중 A2O 사업부가 TN과 NH에 가장 많은 기여를 했다.4+-N 제거. 이 장치의 평균 유입수 TN 농도는 38.68mg/L, 유출수는 16.87mg/L, 제거율은 56.29%였습니다. 평균 유입수 NH4+-N 농도는 36.29mg/L, 유출수는 5.50mg/L, 제거율은 84.85%였습니다. 탄소- 기반 지하 흐름 습지의 경우 평균 유입수 TN 농도는 16.87mg/L, 유출수는 11.96mg/L, 제거율은 29.10%였습니다. 수중 식물 생태 연못의 경우 평균 유입수 TN 농도는 11.96mg/L, 유출수는 9.47mg/L, 제거율은 20.82%였습니다. 탄소- 기반 지하 흐름 습지의 질소 제거 성능은 생태 연못보다 우수했는데, 이는 지하 흐름 습지의 혐기성-무산소 환경이 탈질에 더 적합하기 때문입니다. 그러나 NH는4+-생태연못의 질소 제거 성능은 지하 흐름 습지에 비해 우수했습니다. 평균 유입수 NH4+-탄소 기반 지하 흐름 습지의 N 농도는- 5.50mg/L, 유출수는 4.04mg/L, 제거율은 26.53%에 불과했습니다. 생태연못의 경우 평균 유입수 NH4+-N 농도는 4.04mg/L, 유출수는 2.38mg/L, 제거율은 41.07%였습니다. 이는 생태연못의 호기성 환경이 질산화에 더 적합하여 더 많은 NH를 전환시키기 때문입니다.4+-N을 NO로3--N, 결과적으로 NH가 높아짐4+-N 제거율. 폐수 처리 용량이 150L/d에 도달했을 때 유출수 TN 농도는 15.11mg/L로 GB 18918-2002의 A급 표준을 초과했습니다. 따라서 안정적인 TN 준수를 보장하기 위해 최대 폐수 처리 용량은 120L/d였습니다. 폐수 처리 용량이 210 L/d에 도달하면 유출수 NH4+-N 농도는 7.07mg/L로 GB 18918-2002의 A급 표준을 초과했습니다. 따라서 NH의 최대 폐수 처리 용량은4+-N 규정 준수율은 180L/d였습니다.
에 표시된 바와 같이그림 2 (c)평균 유입수 COD는 100mg/L 미만으로 유기물 함량이 낮음을 나타냅니다. 폐수 처리 용량의 증가는 COD 제거율에 큰 영향을 미치지 않았으며 COD 제거율은 75%~90% 사이였습니다. 폐수처리 용량이 50L/d에서 210L/d로 증가함에 따라 평균 방류수 COD는 19.16mg/L, 최대 방류수 COD는 26.07mg/L로 GB 18918-2002 Grade A의 50mg/L 기준에 훨씬 못 미치는 수치입니다. 호기성 MBBR 탱크의 폭기 장치가 COD 제거에 가장 큰 기여를 한 장치는 A2O 장치입니다. 호기성 환경을 개선하여 호기성 미생물의 생화학적 능력을 강화하고 COD 제거를 강화합니다. 또한, A2O 장치에서 질산화된 액체의 재순환을 통해 배플된 무산소 탱크는 폐수 내 유기물을 탄소원으로 더욱 활용하여 탈질화를 향상시키는 동시에 COD의 일부를 제거할 수 있었습니다. 탄소- 기반 지하 흐름 습지는 COD 제거에 두 번째로 큰 기여를 했습니다. 혐기성-무산소 환경은 폐수의 유기물을 탄소원으로 사용하여 유기물의 일부를 분해하는 동시에 탈질을 향상시키는 데 도움이 되며, 이는 또한 TN 제거가 더 나은 이유이기도 합니다. 더욱이, 지하 흐름 습지의 기질층은 일부 유기물을 흡착할 수 있습니다. 생태학적 연못은 COD 분해에 제한적인 영향을 미쳤습니다. 생태학적 연못의 평균 유입 COD는 22.21mg/L였으며, 가장 쉽게 생분해되는 유기물은 이미 분해되어 분해하기 더 어려운 유기물이 남았습니다.
에 표시된 바와 같이그림 2 (d), 폐수 처리 용량이 증가함에 따라 유출수 TP 농도는 안정적으로 유지되었습니다. 폐수처리능력의 증가는 TP 제거에 큰 영향을 미치지 않았다. 유입수 평균 농도는 3.7mg/L, 유출수 평균 농도는 0.18mg/L로 평균 제거율은 95.14%로 양호한 TP 제거율을 나타냈다. TP는 주로 A2O 장치에서 제거되었다. A2O 장치의 유입수 TP 농도는 3.7mg/L이고 유출수는 0.29mg/L에 불과하여 GB 18918-2002 Grade A의 0.5mg/L 기준보다 우수합니다. 이는 A2O 장치가 인 축적 유기체(PAO)에 의한 생물학적 인 제거 기능을 수행했을 뿐만 아니라 3.7을 투여하여 화학적 인 제거 기능도 보충했기 때문입니다. PAC의 g/d. 생물학적 및 화학적 인 제거의 결합으로 A2O 장치에서 인의 90% 이상이 제거되었습니다. 지하 흐름 습지와 생태 연못은 인 제거를 위한 기질 흡착, 침전, 식물 흡수 및 미생물 분해와 같은 메커니즘에 주로 의존했습니다. 더욱이 습지로 유입되는 TP 농도는 이미 0.29mg/L로 낮아 추가 제거가 더욱 어려워졌습니다. 이러한 복합적인 이유는 습지와 생태연못의 일반적인 TP 제거 성능으로 이어졌습니다.
따라서 GB 18918-2002 A 등급 표준에 대한 모든 배출 지표의 안정적인 준수를 보장하기 위해 이 공정의 최적 폐수 처리 용량은 120L/d로 결정되었습니다.
2.2 복합공정의 오염물질 제거 성능
2.2.1 COD 제거 성능
에 표시된 바와 같이그림 3, 전체 처리성능 시험기간(2022년 7월 1일~2023년 1월 17일, 폐수처리용량 120L/d) 동안 수온은 32도에서 0도까지 감소하는 등락폭 감소 추세를 보였다. COD 제거율은 변동이 많았으며 수온의 감소는 COD 제거에 뚜렷한 영향을 미치지 않았습니다. 와 결합그림 4, COD 제거율은 66.16%~82.51% 사이에서 다양했으며 주로 유입수 COD 농도에 영향을 받았습니다. 연구에 따르면 혐기성/무산소 조건에서 COD 제거는 주로 미생물 활동에 의존합니다. A2O-MBBR+CW 프로세스는 혐기성-무산소-호기-무산소-호기 조건을 번갈아 수행하여 COD 제거를 향상시킵니다. 운영 중 수온이 감소함에 따라 유입수 COD는 80~136mg/L 범위였지만 배출수 COD는 50mg/L 미만으로 안정적으로 유지되어 DB 34/3527{20}}2019의 A등급 표준을 충족하여 우수한 유기 분해를 나타냅니다. A2O 부문은 COD 제거에 가장 큰 기여를 했습니다. 당황한 혐기성-무산소 접촉조의 평균 COD 제거율은 43.38%로 전체 COD 제거량의 65.43%를 차지했습니다. 호기성 MBBR 탱크의 평균 제거율은 14.69%로 전체의 19.87%를 차지하였다. A2O 섹션은 배플 혐기성 탱크 및 호기성 MBBR 탱크의 매체의 넓은 비표면적, 높은 슬러지 농도 및 박테리아 → 원생 동물 → 후생 동물의 먹이 사슬 형성으로 인해 COD 제거에 85% 이상 기여하여 물 속의 유기물을 효과적으로 분해합니다. IFAS 시스템의 높은 생물 다양성은 온도 변화에도 불구하고 우수한 유기물 제거를 보장합니다. 또한, 배플된 혐기성-무산소 접촉조의 폐수에 포함된 용해성 유기물의 일부는 탈질 박테리아에 의해 탄소원으로 사용됩니다. 한편, 재순환된 혼합액은 NO를 증가시켰다.3--당황된 무산소조의 N 농도, NO를 전환하기 위해 박테리아를 탈질화하여 탄소원 활용 촉진3--해당 없음/아니요2--N을 질소 가스로 변환합니다. 배플된 혐기성-무산소 접촉조의 높은 COD 제거율은 이 공정이 폐수 내 유기물을 탈질 탄소원으로 효율적으로 활용할 수 있음을 더욱 입증합니다. 탄소- 기반 지하 흐름 습지는 평균 COD 제거율이 7.18%로 전체 COD 제거의 9.18%를 차지했습니다. 지하 흐름 습지의 혐기성/무산소 환경은 유기물을 탄소원으로 사용하는 미생물에 도움이 되며, 탈질작용을 향상시키면서 COD 제거를 달성합니다. 관련 연구에 따르면 바이오 숯 필러는 정전기적 인력과 분자간 수소 결합을 통해 유기물을 흡착할 수 있는 것으로 나타났습니다. 따라서 지하 흐름 습지의 슬러지 바이오 숯 충전재도 일부 유기물을 흡착할 것입니다. 수중 식물 생태 연못의 평균 COD 제거율은 3.68%에 불과했는데, 그 이유는 연못에 유입되는 COD가 이미 평균 30.59mg/L로 낮았고, 주로 흡착과 식물 흡수에 의해 제거되는 내화성 유기물로 구성되어 효과가 제한되었기 때문입니다.
2.2.2 질소 제거 성능
에 표시된 바와 같이그림 3, 수온이 32도에서 12도로 점차 감소함에 따라 TN과 NH4+-N개의 제거율이 변동되었습니다. 평균 TN 제거율은 75.61%에 이르렀고, 평균 NH는4+-N 제거율이 95.70%에 도달했습니다. 수온이 12도 이하로 떨어지면 TN과 NH4+-N 제거율은 급격한 감소 추세를 보였지만 평균 제거율은 여전히 각각 58.56%와 80.40%에 달했습니다. 이는 계절별 수온 저하로 인해 미생물 활동이 억제되어 탈질 성능이 약화되었기 때문이다. 복합공정 운영기간(2022년 7월 1일~2023년 1월 17일) 동안의 유입 및 유출 오염물질 농도 통계 결과에 따르면,표 3, 평균 유입수 TN 및 NH4+-N 농도는 각각 36.56mg/L 및 32.47mg/L였습니다. NH4+-N은 TN의 88.81%를 차지했습니다. 유입수 NO3--N(0.01mg/L)은 거의 무시할 수 있는 수준이었습니다. 평균 유출수 TN 및 NH4+-N 농도는 각각 11.69mg/L 및 3.5mg/L였으며 둘 다 DB 34/3527-2019의 A등급 표준을 충족했습니다. 평균 유출수 NO3--N 농도는 6.03mg/L로, 이는 이 공정의 우수한 질산화 능력을 나타냅니다.4+-아니오에서 아니오3--N. 그러나 NO가 축적되면3--폐수에 N이 있으면 추가 탈질화 여지가 아직 남아 있음을 의미합니다. 에 표시된 바와 같이그림 5 (a), TN 제거율은 A2O 구간에서 가장 높았다. 당황한 혐기성-무산소 접촉조의 평균 TN 제거율은 44.25%였으며, 호기성 MBBR 탱크의 평균 TN 제거율은 9.55%였습니다. 이는 호기성 구역의 질화 박테리아와 무산소 구역의 탈질 박테리아의 복합 작용의 결과입니다. 탄소- 기반으로 건설된 습지의 평균 TN 제거율은 11.07%였습니다. 그 이유는 탄소원을 방출하는 능력과 혐기성/무산소 환경이 탈질에 도움이 되어 일정한 질소 제거 능력을 유지하기 때문입니다. 수중 식물 생태 연못은 호기성 환경이 탈질소화에 도움이 되지 않기 때문에 일반적인 제거 성능과 함께 평균 TN 제거율은 3.54%에 불과했습니다. 에 표시된 바와 같이그림 5 (b), NH4+-N 제거는 주로 A2O 섹션에서 완료되었습니다. 당황한 혐기성-무산소 접촉 탱크에는 NH가 있었습니다.4+-N 제거율은 59.46%이며 호기성 MBBR 탱크에는 NH가 있습니다.4+-N 제거율은 24.24%입니다. A2O 섹션은 전체 NH의 93.57%를 차지했습니다.4+-N 제거. NH가 높다4+-A2O 섹션의 N 제거는 호기성 MBBR 탱크의 지속적인 통기로 인해 발생하며, 이를 통해 질화 박테리아는 DO를 완전히 활용하여 NH를 전환할 수 있습니다.4+-아니오에서 아니오3--N. 그런 다음 이것은 무산소조로 재순환되어 탈질 박테리아가 NO로 전환됩니다.3--N에서 N2로 제거됩니다. 시험기간 동안 평균 TN 제거율은 68.40%, 평균 NH는4+-N 제거율은 89.45%로 양호한 질소 제거 성능을 나타냅니다.
에 표시된 바와 같이그림 3, 수온이 32도에서 0도로 감소함에 따라 TN 제거율은 최대 79.19%에서 51.38%로 감소하였다. 와 결합그림 5 (a), when water temperature was >20도에서 평균 TN 제거율은 75%를 초과했으며 평균 유출 농도는 8.41mg/L입니다. 왜냐하면 미생물 활동이 20~32도 범위에서 더 높아 탈질이 더 잘 이루어지기 때문입니다. 이는 Zhang Na 등의 연구와 일치합니다. 수온이 20도에서 5도로 낮아지면 평균 TN 제거율은 65.44%로 감소하고, 평균 유출수 농도는 12.70mg/L로 증가하였다. 수온이 0~5도일 때 평균 TN 제거율은 52.75%로 감소하고 평균 유출수 농도는 17.62 mg/L로 증가하여 TN 제거에 일정한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 연구에 따르면 수온이 낮아지면 미생물 활동이 억제되는 것으로 나타났습니다. 수온이 높을 때<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 >5도, TN 제거 성능은 양호하며 유출수는 15mg/L 미만으로 안정적입니다. 이때, 기타 오염물질 제거를 고려하면 폐수 처리 용량을 적절하게 늘릴 수 있다.
에 표시된 바와 같이그림 3, 수온이 점차 감소함에 따라 NH4+-N 제거율은 최대 99.52%에서 최소 74.77%로 감소했으며, 유출수 NH는4+-N 농도가 최소 0.17mg/L에서 8.40mg/L로 증가했습니다. 수온을 낮추면 질산화 및 아질화 박테리아의 활동이 억제되어 NH가 감소합니다.4+-N removal. However, when water temperature >12도, 평균 유출수 NH4+-N 농도는 1.58mg/L였습니다. 수온이 12도 이하일 때 평균 유출수 NH4+-N 농도는 6.58mg/L로 증가했지만 유출수 NH는4+-N은 항상 DB 34/3527-2019의 A등급 표준을 충족했습니다. 수온이 20~32도일 때 평균 NH4+-N 제거율이 96%를 초과했습니다. 와 결합그림 5 (b), 유출수 NH4+-이 범위에서 N 농도는 2mg/L 미만으로, 이는 질화 박테리아 활동이 높고 전반적인 NH가 우수함을 나타냅니다.4+-N 제거. 수온이 20도에서 12도로 점차 낮아지면 평균 NH4+-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12도는 질화 박테리아 성장에 적합하며 질산화를 촉진합니다. 따라서 NH4+-N은 12~20도 범위에서 높은 제거율을 유지했습니다. 수온이 12도에서 0도까지 점차 감소하면 평균 NH4+-N 제거율은 여전히 80%에 도달했습니다. 기존 연구에 따르면 질산화균은 0도에서 질화능력을 거의 상실하는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구 결과에 따르면 0도에서도 NH는4+-N 제거율이 75%를 초과했는데, 이는 저온에서 이 공정의 질산화 성능이 우수함을 나타냅니다. 이는 본 연구의 A2O{4}}MBBR 섹션에 있는 IFAS 시스템이 최대 약 1개월의 긴 생물막 슬러지 수명을 갖고 있어 생화학 탱크의 질산화 속도가 기존 활성 슬러지 공정보다 온도에 훨씬 덜 영향을 받아 낮은 겨울 온도에서 질산화 성능이 크게 향상되기 때문입니다. Wei Xiaohan 등의 연구. 이는 또한-규정을 준수하지 않는 NH의 주된 이유를 나타냅니다.4+-낮은 수온 조건에서 N 유출수는 활성 슬러지 연령이 충분하지 않으며 온도가 질산화 활동에 미치는 영향은 부차적입니다. 따라서 수온의 감소가 질화작용에 어느 정도 영향을 주긴 했지만, 이 공정에서 충분한 슬러지 연령은 NH를 보장했습니다.4+-저온에서 N 제거. 테스트 기간 동안 평균 유출수 NH4+-N 농도는 3.50mg/L였으며 결합 공정은 양호하고 안정적인 질화 성능을 나타냈습니다.
2.2.3 인 제거 성능
에 표시된 바와 같이그림 3, TP 제거율은 수온 변화에 따라 거의 변하지 않았으며 94% 이상으로 안정적으로 유지되었습니다. 와 결합그림 6, 유입수 TP 농도 범위는 3.03~4.14mg/L, 유출수 TP 농도 범위는 0.14~0.28mg/L로 DB 34/3527-2019의 A등급 표준을 충족했습니다. 이 공정은 생물학적 인 제거(PAO에 의한)와 화학적 인 제거(PAC에 의한)의 결합된 작용에 의존합니다. 수온이 낮아지면 PAO 활동이 억제되어 생물학적 인 제거에 영향을 미칩니다. 그러나 이 공정은 3.7g/d의 PAC를 투여하여 화학적 인 제거를 보완하고 안정적인 TP 제거율을 유지하며 결합 공정에서 수온 변화가 인 제거에 미치는 영향을 줄입니다. A2O 장치는 최고의 TP 제거 성능을 보였습니다. 혐기성-무산소 단위 배출수 평균 TP 농도는 2.48mg/L였으며 제거율은 32.61%였습니다. 호기성 단위 배출수 평균 TP 농도는 0.29mg/L였으며 제거율은 59.51%였습니다. A2O 장치의 전체 TP 제거율은 92.12%였습니다. A2O-MBBR 섹션의 당황스러운 설계는 재순환 혼합액에 운반된 질산성 질소를 크게 제거할 수 있어 혐기성 PAO가 혐기성 섹션에서 인을 더 철저하게 방출하고 호기성 섹션에서 인을 더 완전히 흡수하여 생물학적 인 제거를 향상시킬 수 있습니다. 또한 호기성 MBBR 탱크의 한쪽 면에 투여하여 화학적 인 제거를 수행하면 안정적인 TP 제거율이 유지되었으며, 유출수 품질은 DB 34/3527-2019의 A등급 표준보다 안정적으로 우수했습니다. A2O-MBBR 구역의 생물학적 인 제거는 주로 배플 혐기성 탱크의 PAO가 탄소원을 사용하여 유기물과 휘발성 지방산의 일부를 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)로 전환할 때 발생합니다. 폐수가 차단된 혐기성 탱크에서 호기성 MBBR 탱크로 흐를 때 PAO는 PHA를 전자 공여체로 사용하여 인 흡수를 완료합니다. 그러나 생물학적 인 제거 성능은 PAO 활동에 의해 쉽게 영향을 받으며, 낮은 수온은 PAO 활동을 제한합니다. 따라서 안정적인 인 제거를 달성하기 위해 화학적 인 제거가 공정 설계에 포함되었습니다. 또한, 탄소 기반 지하 흐름 습지의 기질층에 의한 흡착과 생태 연못의 수중 식물의 성장도 일부 인을 흡수합니다.
요약하면, 설정은 테스트 기간 동안 안정적으로 작동했으며 전반적인 오염 물질 제거 성능이 뛰어났습니다. A2O-MBBR + CW 결합 공정은 TN, NH에 대해 68.40%, 89.45%, 73.94%, 94.04%의 평균 제거율을 달성했습니다.4+-각각 N, COD, TP입니다. 평균 유출 농도는 각각 11.69mg/L, 3.50mg/L, 26.9mg/L, 0.22mg/L였으며 모두 DB 34/3527-2019의 A등급 표준을 충족했습니다. Wu Qiong 등의 연구. A2O-MBBR은 활성 슬러지와 생물막의 복합 공정으로, 미생물 양이 많고, 슬러지 수명이 길며, 부피 부하가 크고, 부피와 설치 면적이 적으며, 충격 부하에 대한 강한 저항성, 우수한 유출수 품질, 안정적인 작동을 특징으로 합니다. 또한, 겨울철 생물막 공정의 탈질 성능은 활성슬러지 공정보다 우수하여 겨울철 저온-폐수 처리에 더 적합합니다. 이는 본 연구에서 A2O{18}}MBBR 구간의 오염물질 제거 성능이 좋은 주된 이유이기도 하다. 본 연구에서 A2O-MBBR + CWs 결합 공정은 A2O-MBBR 공정을 기반으로 CWs 연마 처리 영역을 추가하여 공정의 전반적인 정제 성능과 운영 안정성을 더욱 향상시킵니다. TN 및 NH 제거4+-N은 계절 수온 변화에 덜 영향을 받은 반면, COD 및 TP 제거는 계절 수온에 거의 영향을 받지 않았습니다. 시험기간 동안 충격하중에 강한 저항성을 보여 생활폐수 수질 및 수량 변동이 큰 농촌 지역에서 사용하기에 적합하다.
2.3 복합공정의 경제성 분석
본 복합공정의 비용에는 주로 건설비와 폐수처리 운영비가 포함됩니다. 건설 비용은 탱크 본체, 보조 전기 장비, 미디어, 수중 플랜트 및 파이프 피팅 구입을 포함하여 실험 설정을 설정하는 데 소요되었으며 총 약 3,000 CNY였습니다. 실험 중 최대 폐수 처리 용량 0.18m3/d를 기준으로 처리된 폐수 m3당 건설 비용은 약 16,700CNY입니다. 운영비용은 설비 에너지 소비, 약품비, 슬러지 처리비, 인건비 등 주로 셋업운전에서 발생한다. 전기 장비에는 공급 펌프(전력 2W, Q=2.8 m³/d), 재순환 펌프(전력 2W, Q=2.8 m³/d), 통풍기(전력 5W, 폭기율=5 L/min) 및 연동 투여 펌프(전력 2W)가 포함됩니다. 실제 최대 사용 전력을 기준으로 계산: 공급 펌프 0.13W, 재순환 펌프 0.19W, 에어레이터 1.25W, 도징 펌프 2W. 총 실제 사용 전력은 0.00357kW, 일일 전력 소비량은 0.086kWh입니다. 처리된 폐수 m³당 전력 소비량은 0.48kWh입니다. 산업용 전기 가격 0.7 CNY/kWh를 사용하면 전기 비용은 0.33 CNY/m3입니다. PAC 화학물질 비용은 약 2.4 CNY/kg, 사용량은 3.7 g/d입니다. 폐수 m³당 필요한 PAC는 20.56g이며 비용은 0.05 CNY/m³입니다. 슬러지 처리 비용= 슬러지 수량 × 단위 부피 슬러지 처리 비용. 물 1톤당 건조 슬러지 생산량은 0.09kg입니다. 도시 WWTP 슬러지 운송 및 처리 단가 60 CNY/톤을 기준으로 물 톤당 슬러지 처리 비용은=0.09 kg × 0.06 CNY/kg=0.054 CNY입니다. 파일럿 셋업은 가동 후 주기적인 점검만 필요했기 때문에 인건비는 실제 엔지니어링 경험을 바탕으로 추정됐다. 하루 10,000톤 규모의 공장을 1~2인이 운영하고 있습니다. 1인의 급여가 월 3,000위안이라고 가정할 때, 2인의 경우 인건비 지표는 약 0.02위안/물 1톤입니다. 비용 세부정보는 다음에 표시됩니다.표 4. 요약하면, 수술 처리 비용은 약 0.46 CNY/m3입니다. 그러나 폐수 처리 용량이 증가함에 따라 물 1톤당 건설 및 운영 비용은 감소할 것입니다. 파일럿 테스트 중 건설 및 운영 비용은 참고용일 뿐입니다.
3. 결론
A2O-MBBR + CW 결합 공정은 시골 가정 폐수 처리에 있어 좋은 성능을 보여주었습니다. TP와 COD의 제거는 수온 변화에 크게 영향을 받지 않았습니다. TN, NH의 평균 제거율4+-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 >5도, 유출수 품질은 GB 18918-2002 "시립 폐수 처리장의 오염 물질 배출 표준"의 A 등급 표준을 충족할 수 있습니다. 이 공정은 시스템 내 유기물을 탄소원으로 효율적으로 활용하여 탈질을 향상시켜 0도의 낮은 수온에서도 50% 이상의 TN 제거율을 유지할 수 있습니다.
A2O-MBBR + CW 결합 공정의 겨울철 최적 폐수 처리 용량은 120L/d였으며, 겨울철이 아닌 계절에는 180L/d였습니다.- 계절별 수온 변화(32도에서 0도로 점차 감소)는 복합 공정에 의한 질소 제거에 일정한 영향을 미쳤습니다. TN 제거율은 79.19%에서 51.38%로 감소하였고, NH4+-N 제거율이 99.52%에서 74.77%로 감소했습니다. 0도에서도 방류수 수질은 DB 34/3527-2019의 Grade A 기준을 안정적으로 충족했으며 NH4+-N 제거율은 여전히 74.77%에 도달했습니다. 이는 최대 1개월의 슬러지 숙성 기간이 저온에서 질산화를 보장하는 IFAS 시스템의 이점입니다. 이 공정은 테스트 기간 동안 안정적으로 작동하여 수온 변화에 강한 저항성을 나타냈습니다.
선행 A2O-MBBR 공정에서는 미생물 부착을 위해 두 가지 유형의 부유 생물막 운반체를 사용하여 IFAS 시스템을 형성했습니다. 탄소- 기반 지하유동 습지는 슬러지 바이오 숯, 석회석, 제올라이트 등 다양한 여재 충진제를 사용하여 여과 성능을 향상시키는 동시에 미생물에 대한 충분한 부착 표면을 제공하여 생물학적 처리 능력을 향상시켰습니다. IFAS를 사용한 선행 A2O-MBBR 공정은 바이오매스 농도가 높습니다. 후면 CW 복합 습지는 연마 처리 단계 역할을 하여 폐수를 추가로 처리하여 전체 시스템이 충격 하중에 더 잘 견디도록 만듭니다.
A2O-MBBR + CW 결합 공정은 질과 양의 변동이 큰 농촌 지역의 생활 폐수 처리에 적합합니다. 약 0.46 CNY/m3의 처리 비용으로 안정적이고 효율적으로 운영됩니다. 또한 A2O-MBBR+CW 공정 섹션은 다양한 배출 기준, 시나리오 및 목적에 따라 유연하게 조정될 수 있습니다. 이 결합 프로세스는 중국의 시골 가정 폐수 처리 프로젝트에 대한 데이터 참조 및 기초를 제공할 수 있고, 농촌 지역의 유휴 황무지에 대한 자원 활용 경로를 제공할 수 있으며, 농촌 환경 질 개선을 매우 강조하는 국가 추세에 따라 광범위한 시장 적용 가능성을 가지고 있습니다.