Entfernung organischer Stoffe und Nährstoffe aus Krankenhausabwasser durch einen Elektrobioreaktor in Verbindung mit einem Röhrenabscheider

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 9279 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Abwasser, das aus verschiedenen Medikamenten und Medikamentenrückständen besteht, ist eine große Herausforderung in der Behandlung und Entsorgung. Diese Situation hat erhebliche Auswirkungen auf die Gesundheit des Menschen und anderer biotischer Organismen in der Umwelt. Das Hauptproblem bei Krankenhausabwässern (HWW) ist die Widerstandsfähigkeit gegenüber der Behandlung mit den verschiedenen herkömmlichen Methoden. Zur Behandlung von HWW wurde diese Studie mit einem Elektrobioreaktor unter Verwendung von Krankenhausabwasser durchgeführt. Die Elektroreduktion überwindet die Wirkung toxischer Elemente im Krankenhausabwasser und der biologische Abbau entfernt organische Stoffe und Nährstoffe aus dem Abwasser. Diese Studie untersuchte die Leistung von Elektrobioreaktoren zur Behandlung von Krankenhausabwasser im Zusammenhang mit Tubesetler. Die Parameter des chemischen Sauerstoffbedarfs, der Nitrat- und Phosphatkonzentration wurden analysiert, um einen Zu- und Abfluss aus dem Elektrobioreaktor und dem Rohrabscheider zu bewerten. Außerdem wurde eine kinetische Modellierung für den chemischen Sauerstoffbedarf sowie die Nitrat- und Phosphatentfernung durchgeführt. Der chemische Sauerstoffbedarf wurde im Elektrobioreaktor um 76 % und im Röhrenabscheider um 31 % bzw. 84 % reduziert. Nitrat und Phosphat wurden innerhalb der zulässigen Einleitungsgrenzen reduziert, mit einer Endabflusskonzentration von 1,4 mg L−1 und 3 mg L−1. Weitere Studien sind erforderlich, um die Auswirkungen pharmazeutischer Verbindungen im Krankenhausabwasser auf die Systemleistung zu bewerten.

Krankenhausabwasser (HWW) gibt zunehmend Anlass zur Sorge, da es umweltschädliche Elemente enthält. Behandlungsmethoden für HWW haben aufgrund ihrer pharmazeutischen Inhaltsstoffe in der jüngsten Forschung an Aufmerksamkeit gewonnen1,2,3,4,5. Strenge Abwassernormen machen herkömmliche Abwasseraufbereitungssysteme ineffizient6. Auch die Notwendigkeit, bestimmte Abwässer aus verschiedenen Industriezweigen und anderen Quellen zu behandeln, verschärft das Problem zusätzlich. Dies führt zu dem Wunsch nach innovativen und neuen Technologien, um die erforderlichen Standards zu erfüllen7,8. Unter den verschiedenen Abwassertechnologien liegt ein besonderer Schwerpunkt auf Elektrobioreaktoren (EBR). Der Schadstoffabbau hängt in erster Linie von der Verfügbarkeit von Elektronen im System9 ab. Das elektrobiologische System überwindet diesen Mangel an Elektronendonoren. Es fungiert als elektrochemische Unterstützung für das mikrobiologische System, um Schadstoffe aus dem Abwasser zu reduzieren. Die Kathode kann kontinuierlich Elektronen (Wasserstoffproduktion) und elektrische Felder mit niedrigem Reduktionspotential liefern. EBRs nutzen elektrische Energie zur Abwasserbehandlung. Die vier wichtigsten Mechanismen bei EBR sind Elektrokoagulation (EC), Elektroabscheidungen (ED), Elektrooxidation (EO) und Elektroflotation (EF). Die Rückgewinnung aus dem Abwasserstrom erfolgt durch elektromagnetische Abscheidung. EC wird zur Abwasserbehandlung verwendet und EF trennt effektiv geflockten Schlamm vom Abwasser. EO wird hauptsächlich zur Reduzierung organischer Stoffe, feuerfester Schadstoffe und Nährstoffe aus Abwasser eingesetzt10.

EBR hat verschiedene Anwendungen für die Abwasseraufbereitung, vom rohen kommunalen Abwasser11 bis zum Deponiesickerwasser12,13,14,15. Es wurde auch die Behandlung spezifischer chemischer Verbindungen im Abwasser untersucht, beispielsweise die Reduzierung von 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure, der Abbau von Tetracyclin, der Abbau von Antibiotika und die Reduzierung feuerfester organischer Schadstoffe14,16. Außerdem wurde EBR zur Reduzierung der Membranverschmutzung bei der Abwasserbehandlung eingesetzt6,17. EBR wurde zur Abwasserbehandlung in Kombination mit einer Tauchmembran18,19,20 und als Elektroperoxin-Behandlungsverfahren14,21,22 eingesetzt. Trotz der breiten Anwendung in Studien zur Abwasseraufbereitung23,24,25 mangelt es immer noch an einer EBR-Leistungsbewertung für die Warmwasseraufbereitung. Dies ist in erster Linie auf die begrenzten Einsatzmöglichkeiten in Kombination mit anderen Techniken zurückzuführen, die Behandlungssysteme unterstützen, anstatt einzelne Behandlungssysteme vollständig durchzuführen. Daher wurde diese Studie durchgeführt, um die Leistung von EBR als besonderes Behandlungssystem für HWW zu untersuchen.

In diesem Experiment wurde ein Röhrensetzer kombiniert mit EBR verwendet. Dies überwand die Mängel der Kombinationsstudie und gab einen Einblick in die Behandlungseffizienz von EBR als individuelles Behandlungssystem. Die Ziele dieser Studie sind:

Untersuchen Sie die Reduzierung des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) im Krankenhausabwasser mithilfe von EBR und Tubesetler.

Bestimmen Sie die Entfernungseffizienz von Nährstoffen, z. B. Nitrat und Phosphat.

Vergleichen Sie die Entfernungseffizienz von EBR und Tubesetler, um deren Eignung zu beurteilen und als Abwasserbehandlungseinheit zu validieren.

Das in dieser Studie verwendete Krankenhausabwasser wurde von März 2021 bis Januar 2022 aus der Abwasseraufbereitungsanlage des Guru Teg Bahadur Hospital mit einer Kapazität von 600 m3/Tag in Neu-Delhi, Indien, gewonnen. Alle gesammelten Proben wurden zum Umweltlabor am Mewat Engineering College, Nuh, Haryana, Indien-122107, transportiert und bei 4 °C gelagert, bevor sie als Zufluss in EBR und einem angeschlossenen Rohrabscheider verwendet wurden. Vor der Durchführung der Experimente wurden diese Proben aus dem Kühlschrank genommen, um sie vor der Verwendung auf Raumtemperatur (20–25 °C) zu bringen.

Für diese Studie wurde ein Versuchsaufbau im Labormaßstab entworfen und installiert, wie in Abb. 1 dargestellt. Der Aufbau bestand aus einem Elektrobioreaktor, der in Reihe mit einem Röhrenabscheider verbunden war. Das Arbeitsvolumen des Elektrobioreaktors betrug 14,2 l. Der Ausfluss aus EBR und Tubesetler wurde über eine peristaltische Pumpe gewonnen. Das konstante Volumen im Reaktor wurde mithilfe eines an die Förderpumpe angeschlossenen Füllstandsensors aufrechterhalten. Anode und Kathode hatten eine Fläche von 100 cm2 mit einem Abstand von 5,7 cm. Die Gleichstromversorgung wurde bei einem Gradienten von 1 V/cm aufrechterhalten. Sowohl im EBR als auch im Rohrabscheider wurde für eine kontinuierliche Belüftung gesorgt. Die Eigenschaften des Zulaufabwassers und die verwendeten Betriebsbedingungen sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt.

Schematische Darstellung des im Experiment verwendeten Aufbaus (FT = Futtertank, FP = Förderpumpe, EBR = Elektrobioreaktor, PS = Stromversorgung, AN = Anode, CT = Kathode, PP = Peristatische Pumpe, AC = Luftkompressor, TS = Röhrensetzer, EF = Abwasser).

Die Leistung von EBR und Tubesetler wurde anhand der Schadstoffkonzentration im Abwasser bewertet. Zu- und Abflussproben wurden aus EBR und Röhrenabscheider entnommen und als Standardmethoden auf CSB-, Nitrat- und Phosphatkonzentrationsentfernung analysiert26,27. HACH DR 2800 wurde zur Diagnose der Parameterkonzentration verwendet. Die Experimente wurden 55 aufeinanderfolgende Tage lang fortgesetzt, bis sie einen stabilisierten Zustand erreichten. Daher wurden nach 55 Tagen Messungen vorgenommen, um die Behandlungseffizienz zu bewerten, und die Ergebnisse von EBR und Tubesetler wurden überprüft, wie in Abb. 1 dargestellt. Außerdem werden die Ergebnisse dieser Studie die Verbesserungskapazität des Tubesetlers validieren. Für die Analyse von Wasserproben wurden Standardtestmethoden der American Public Health Association (APHA) übernommen, die auch in ähnlichen Studien übernommen wurden1,2.

Mit Hilfe der Design-Expert-Software (Version DX13.0.1) wird die Experimentalmatrix ermittelt, in die 20 Experimente mit unterschiedlichen Kombinationen von Prozessvariablen einfließen. Die Analyse von drei Prozessvariablen: pH-Wert, aktuelle Zeit und MLSS wurde im CCD-Modell (Central Composite Design) verwendet, um zu verstehen, wie der chemische Sauerstoffbedarf (CSB), die Nitrat- und Phosphatentfernungsprozentsätze beeinflusst wurden. Es wurde beobachtet, dass der sequentielle Sum-of-Square-Test und der Test auf mangelnde Anpassung am besten geeignet waren und während der Analyse im RSM-Modell (Response Surface Methodology Approach) angewendet wurden. Die Optimierungsfunktion der Software hilft dabei, die besten Werte in bestehenden Systemen zu ermitteln28,29. Der RSM-Ansatz wird zur Optimierung der Betriebsparameter unter Berücksichtigung der Drei-Faktor- und Fünf-Ebenen-CCD-Analyse verwendet. In der vorliegenden Studie wurden die Eingabevariablen optimiert, um CSB, Nitrat und Phosphat zu maximieren, wie in Tabelle 3 gezeigt. Die Entfernungseffizienzen für CSB, Nitrat und Phosphat liegen zwischen 59,1 und 74,1 %. Die Validierung erfolgte durch Berechnung der durchschnittlichen experimentellen Ergebnisse auf der Grundlage optimaler Werte, die durch Softwareoptimierung bereitgestellt wurden. Bei der Verbesserung des EBR-Prozesses gab es eine gute Übereinstimmung zwischen theoretischen und praktischen CSB-, Nitrat- und Phosphatentfernungswerten für RSM.

Das Modell erster Ordnung, das Grau-Modell zweiter Ordnung, das modifizierte Stover-Kincannon-Modell und das Monod-Modell wurden verwendet, um die Kinetik der CSB-Entfernung aus dem EBR-Reaktor zu untersuchen. Für die Abwasserbehandlung mit biologischen Systemen sind kinetische Analysemethoden etabliert. Nach der Akklimatisierung wurde ein stabiler Zustand erreicht, der die Analyse erforderlich machte. Aus experimentellen Daten erstellte Modelle können mithilfe von ANOVA (Varianzanalyse) ausgewertet werden. ANOVA liefert statistische Indikatoren wie den F-Wert und den P-Wert. Damit das Modell statistisch signifikant ist, muss F umfangreich sein und der P-Wert muss unter (0,05) liegen. Hohe Korrelationskoeffizienten weisen auf ein zuverlässiges Modell hin.

Unter Berücksichtigung der tatsächlichen und vorhergesagten Werte sollte das anhand der verschiedenen eingegebenen Parameter generierte Modell zufriedenstellend diagnostiziert werden. Es ist ziemlich verständlich, dass die Übereinstimmung zwischen den tatsächlichen und den vorhergesagten Werten die Wirksamkeit und Genauigkeit des generierten Modells berücksichtigt, wie in Abb. 2 dargestellt. Die folgenden polynomialen Regressionsmodellgleichungen wurden erhalten:

Dabei ist A der anfängliche pH-Wert, B die aktuelle Zeit (Minuten) und C die MLSS-Konzentration (mg·L−1), bei der die Studie durchgeführt wurde.

Normale Wahrscheinlichkeit im Vergleich zu studentisierten Residuen und vorhergesagte im Vergleich zu tatsächlichen Diagrammen für (i) CSB-Entfernung, (ii) Nitratentfernung und (iii) Phosphatentfernung.

Es wurde beobachtet, dass Statistiken für das Modell mit niedrigen Werten eine gute Aussagekraft für das System und seine Vorhersagen haben.

Es zeigte sich, dass 3D-Oberflächendiagramme ein besseres Verständnis der interaktiven Effekte der Parameter ermöglichen könnten. Die 3D-Oberflächendiagramme sind in den Abbildungen dargestellt. 3, 4 und 5. Es wurde beobachtet, dass die maximale Entfernungseffizienz für CSB, Nitrat und Phosphat im Bereich von 59 % bis 74 % liegt.

Modellgeneriertes Oberflächendiagramm der prozentualen CSB-Entfernung (i) pH-Wert gegenüber aktueller Zeit (ii) pH-Wert gegenüber MLSS (iii) MLSS gegenüber aktueller Zeit.

Modellgeneriertes Oberflächendiagramm der %-Nitratentfernung (i) pH-Wert gegenüber aktueller Zeit (ii) pH-Wert gegenüber MLSS (iii) MLSS gegenüber aktueller Zeit.

Modellgeneriertes Oberflächendiagramm der %-Phosphatentfernung (i) pH-Wert gegenüber aktueller Zeit (ii) pH-Wert gegenüber MLSS (iii) MLSS gegenüber aktueller Zeit.

Tabelle 4 (i) zeigt die Statistiken zur CSB-Entfernung. Wünschenswert ist Adeq Precision, das das Signal-Rausch-Verhältnis misst und ein Verhältnis größer als 4 aufweist. Für die COD-Entfernung betrug Adeq Precision 19,255, was auf ein ausreichendes Signal hinweist. Es wurde auch beobachtet, dass das angepasste R2 0,9118 beträgt (Differenz weniger als 0,2) und das vorhergesagte R2 von 0,8601 signifikant war, was bedeutet, dass die Vorhersagen gut mit experimentellen Werten übereinstimmen.

Abbildung 3 veranschaulicht die Auswirkung der Stromflusszeit und des pH-Werts auf die prozentuale Entfernung von CSB. Die vom Modell vorhergesagten Werte lagen bei MLSS-Werten von 2500 mg L-1 im Bereich von 73,1 %, wobei die anfänglichen CSB-Werte bei 200 mg L-1 blieben. Mit zunehmender CSB-Belastung scheint vorhergesagt zu werden, dass es zu einer Überlastung der Bakterien kommt und dadurch der Verbrauch organischer Stoffe verlangsamt wird. In Abb. 4 zeigt die erwartete Entfernungswirksamkeit einen Aufwärtstrend mit einem Anstieg der MLSS-Werte, der auch mit früheren Studien übereinstimmt. Mit zunehmendem Wert von MLSS erhöht sich die Kontaktzeit der Biomasse im System, wodurch effektivere Ergebnisse als bei anderen erzielt werden.

Tabelle 4 (ii) zeigt die Statistiken zur Nitratentfernung. Der vorhergesagte R2 von 0,9164 stimmte einigermaßen mit dem angepassten R2 von 0,9730 überein. Für die Nitratentfernung betrug die Adeq-Präzision 29,608, was auf ein ausreichendes Signal hinweist. Dieses Modell kann zur Navigation im Designraum verwendet werden.

Tabelle 4 (iii) zeigt die Statistiken zur Phosphatentfernung. Der vorhergesagte R2 von 0,9165 stimmte einigermaßen mit dem angepassten R2 von 0,9720 überein. Für die Phosphatentfernung betrug die Adeq-Präzision 34,945, was auf ein ausreichendes Signal hinweist. Dieses Modell kann zur Navigation im Designraum verwendet werden.

Abbildung 5 zeigt, dass die Systemwirksamkeit, d. h. die Wirksamkeit der CSB-Entfernung, aufgrund der kürzeren Kontaktzeit mit Biomasse einen Abwärtstrend zeigt, wenn wir die Zykluszeit von 24 auf 18 Stunden verkürzen. Wenn wir hingegen die Zykluszeit erhöhen, beobachten wir eine höhere Effizienz im System. Das modellgenerierte Oberflächendiagramm in Abb. 5 zeigt, dass eine Erhöhung der MLSS-Werte um 3000 mg L−1 die CSB-Entfernung um 73,1 % steigert und den anfänglichen pH-Wert konstant hält. Dies kann auf viele Mikroben zurückzuführen sein, die organische Stoffe abbauen können. In aeroben Reaktoren ist der pH-Wert ein wesentlicher Faktor für das Wachstum der Mikrobenpopulation. Bei der Granulatbildung hat der pH-Wert des Reaktors einen direkten Einfluss. Studien haben gezeigt, dass es zur Granulatbildung kommt, wenn Bakterien bei einem idealen pH-Wert wachsen, während es in einer sauren Umgebung zu einer Massenvermehrung von Pilzen kommt.

Der Einfluss, der Ausfluss und die Entfernung von CSB in EBR und Rohrabscheider sind in Abb. 6a,b dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die CSB-Konzentration konstant ist und eine bessere Wirksamkeit bei der CSB-Entfernung erzielt wird. Die im EBR beobachteten durchschnittlichen Werte für die Entfernungsrate lagen zwischen 74 und 79 %, wobei die anfängliche CSB-Konzentration bei etwa 360–396 mg L−1 gehalten wurde. Es wurde auch beobachtet, dass Tubesetler zu einer Wirksamkeit von etwa 25–36 % führte, wenn die Anfangskonzentration zwischen 75 und 97 mg/l lag. Die Ergebnisse der EBR sind vielversprechend und können auf die Tatsache zurückgeführt werden, dass die Elektrokoagulation zusammen mit dem Oxidations- und biologischen Abbauprozess stattfindet. Es wurde auch beobachtet, dass die prozentuale Entfernung von CSB aufgrund der elektrochemischen Oxidation und Adsorption einen Abwärtstrend aufweist, was zu physikalischem Einschluss und elektrostatischer Anziehung führt30. In vielen anderen Studien wurde auch berichtet, dass eine CSB-Entfernung von etwa 85–90 % bei Verwendung einer Verbundkathodenmembran unter Verwendung eines MRB/MFC-Systems19 für die spezielle Behandlung von Deponiesickerwasser beobachtet wurde. Dies wurde beim Elektrooxidationsprozess mit einer CSB-Entfernung von etwa 80–84 % und 84–96 % bei untergetauchten Membranbioreaktoren unter Verwendung einer Eisenelektrode beobachtet6. Für die Kohleindustrie wurde festgestellt, dass sie etwa 85 % beträgt, wenn Membran-Elektrobioreaktoren verwendet werden31.

(a) Zufluss, Abfluss und Entfernung von CSB im EBR (IEBR = Influent Electrobioreactor, EEBR = Effluent Electrobioreactor, STD = Standard, REBR = Removal Electrobioreactor), (b) Zufluss, Abfluss und Entfernung von CSB im Tubesetler (IT = Influent). Röhrenklärer, ET = Abwasser-Röhrchenklärer, STD = Standard, RT = Entfernungs-Röhrchenklärer).

In der aktuellen Studie schienen die Ergebnisse niedriger zu sein als die in den vorherigen Studien gemeldeten Werte. Der Hauptgrund könnte der Einsatz eines modifizierten EBR-Systems und die Produktion von Biomassearten sein. Betrachtet man die gesamte CSB-Entfernung mit Tube Setter, so wird eine Entfernungseffizienz von bis zu 83,58 % beobachtet. Die Gesamteffizienz der CSB-Entfernung ist signifikant und entspricht der anderer Studien3,4,5. Dies bedeutet, dass EBR bei der CSB-Entfernung besser abschneidet als Tubesetler. Die geringere Entfernungseffizienz des Rohrabscheiders kann auf eine geringere Zuflusskonzentration aus bereits reduziertem Abwasser aus der EBR zurückgeführt werden.

In vielen Studien wurde beobachtet, dass die Nitrifikation die Hauptursache für die Nitrifikation ist, also die Umwandlung von NH3-N in Nitrat NO3-N10. Die indirekte Methode der systemischen Nitrifikationsprozess-Claudicatio sollte durch Messungen der Ammoniakwerte ermittelt werden32,33. In der aktuellen Studie wurde der Nitrifikationsprozess anhand der Nitratkonzentrationsmessung im Zu- und Ablauf in beiden Systemen, d. h. EBR und Rohrklärer, berücksichtigt34,35,36. Die Nitratkonzentration im Zu- und Ablauf wurde beobachtet und in Abb. 7a,b dargestellt. Das System stabilisierte sich und lieferte verbesserte Ergebnisse bis zu 70 % der Nitratentfernung, wobei sich beim Röhrenabscheider ein Wert im Bereich von 40–45 % zeigte. Es wurde beobachtet, dass EBR bessere Ergebnisse lieferte als der Tubesetler. Die unterschiedlichen Ergebnisse in beiden Systemen wurden vernünftigerweise hauptsächlich auf zwei Hauptgründe zurückgeführt: (1) niedrige Zuflusskonzentration im Zufluss im Vergleich zum EBR-System und (2) Hemmeffekt aufgrund des angelegten Gleichstromfelds, das bei Röhrensiedlern nicht vorhanden war.

(a) Zufluss, Abfluss und Entfernung von Nitrat im EBR (IEBR = Influent Electrobioreactor, EEBR = Effluent Electrobioreactor, STD = Standard, REBR = Removal Electrobioreactor), (b) Zufluss, Abfluss und Entfernung von Nitrat im Röhrenklärer (IT = Zufluss-Röhrenabscheider, ET = Abfluss-Röhrenabscheider, STD = Standard, RT = Entfernungs-Röhrenabscheider).

Es wurde eine Entfernungseffizienz von rund 70 % erreicht, die niedriger ist als die Werte in getauchten Membranbioreaktoren, nämlich 82 %6. Der Einbau einer Membran hätte jedoch die Entfernungseffizienz verbessert und ein hybrides EBR-System in Betracht gezogen. Die Ergebnisse der aktuellen Studie liegen nahe genug an vielen anderen Studien mit einem ähnlichen System und anderen Betriebsparametern. Daher kann ein kombinierter Ansatz für eine bessere Wirksamkeit verwendet werden. Bei der wöchentlichen Analyse ist die Nitratkonzentration in der 1. bis 3. Woche niedriger als in den Folgewochen. Da die Konzentration der nitrifizierenden Bakterien abnahm, hatten sie weniger Arbeitsmöglichkeiten. Dadurch stieg die Substratkonzentration und damit auch die Entfernungsrate. Die Nitratkonzentrationen stiegen in Woche 7 um mehr als das Doppelte der Vorwoche. Sie verlangsamten die Bakterienaktivität, was zu einem Effizienzrückgang von 70 % im Untersuchungszeitraum der letzten Woche und in den Wochen 6 und 8 auf 47 % führte. Ein ähnliches Muster zeigte sich in der siebten Woche Woche in Folge in Tubesetler. Andererseits überwanden Mikroorganismen Unterschiede im Engagement, weil der Nitratgehalt in anderen Wochen niedrig war.

Viele Forscher haben sich mit dem Nitratgehalt befasst, aber keiner hat sich mit der Phosphatkonzentration befasst. Die Eutrophierung in Vorflutern hingegen wird überwiegend durch Phosphat und Nitrat verursacht. Darüber hinaus mangelt es an Informationen zum Krankenhausabwasser. Die ein- und ausströmenden Phosphatkonzentrationen im Elektrobioreaktor und im Röhrenabscheider sind in Abb. 8a,b dargestellt. Es wurde eine Reduzierung des Phosphatgehalts im Abwasser im EBR um 75 % erreicht. Der Rohrabscheider hatte eine Wirksamkeit von 67 % bei der Phosphatentfernung, aber eine geringere Effizienz bei der Nitratreduzierung. In einer früheren ähnlichen Studie, in der ein Elektrobioreaktor mit untergetauchter Membran verwendet wurde, wurde eine Clearance-Rate von 76 % bis 95 % angegeben, was niedriger ist als die Ergebnisse dieser Studie6. Die Phosphatentfernung wurde mit dem Elektrokoagulationsverfahren für verschiedene pH-Werte und Stromstärken mit 50–70 % angegeben6.

(a) Zufluss, Abfluss und Entfernung von Phosphat im EBR (IEBR = Influent Electrobioreactor, EEBR = Effluent Electrobioreactor, STD = Standard, REBR = Removal Electrobioreactor), (b) Zufluss, Abfluss und Entfernung von Phosphat im Tubesetler (IT = Zufluss-Röhrenabscheider, ET = Abfluss-Röhrenabscheider, STD = Standard, RT = Entfernungs-Röhrenabscheider).

In Woche 6 und Woche 8 schwankte die Phosphatentfernungseffizienz des EBR in Abhängigkeit von der wöchentlichen durchschnittlichen Konzentration im EBR. Diese Volatilität kann mit einer Veränderung der Zusammensetzung des Krankenhausabwassers zusammenhängen. Der Tubesetler-Gehalt schwankte geringfügig zwischen 5 und 6 %. Obwohl die Phosphatkonzentrationen in der zweiten Woche anstiegen, verbesserte sich die Effizienz der Tubesetler-Entfernung. Wie in Abb. 8a,b gezeigt, zeigte der ankommende Abwasserinhaltsstoff eine starke Affinität hinsichtlich der Phosphatreduktion.

Die überschüssige Abwasserkonzentration und die Standardabweichung von EBR und Tubesetler sind in Tabelle 5 aufgeführt. EBR schnitt bei der CSB-Reduktion besser ab als Tubesetler, wenn Nitrat und Phosphat verglichen wurden. Da Tubesetler ausschließlich einen physikalischen Prozess zur Entfernung von Verunreinigungen einsetzt, ist dies zu erwarten. Das Abwasser aus der Sekundärbehandlungsanlage wird zu einem Rohrabscheider geleitet, der als Poliereinheit fungiert. EBR eliminierte den CSB um 91 %, das Nitrat um 85 % und die Phosphatreduzierung um 81 % im Vergleich zur Gesamteffizienz des Röhrenklärers. Gleichzeitig reduzierte der Rohrklärer den CSB um 37 %, Nitrat um 51 % und Phosphat um 53 %. Daher entfernte EBR in erster Linie Schadstoffe aus dem Abwasser, während der Rohrsetzer als Poliereinheit fungierte. Tabelle 5 veranschaulicht die Abwassereigenschaften von EBR und Rohrabscheider.

Anhand der experimentellen Daten wurde ein lineares Modell erster Ordnung analysiert, indem (So − Se)/Se gegen die hydraulische Retentionszeit (HRT) aufgetragen wurde, was K1 und R2 lieferte. Für den CSB betrugen die R2-Werte 0,761 mit einem konstanten Wert von 1,213, wie in Tabelle 6 gezeigt. Basierend auf den Ergebnissen schien das erhaltene Modell fortan für keinen der Fälle gut zu passen.

Anhand der experimentellen Daten wurde ein Grau-Modell zweiter Ordnung analysiert, indem HRT/((So − Se)/So) gegen HRT aufgetragen wurde. Die erhaltene CSB-Konstante betrug Ks = 10–5, wie in Tabelle 6 gezeigt. Der R2-Wert von 0,99 deutet auf einen guten Korrelationskoeffizienten hin. Daher passen die erhaltenen Ergebnisse gut für AOX und CSB.

Die in diesem Modell als organische Beladung ausgedrückte Substratnutzungsrate wird häufig bei der kinetischen Modellierung von Abwasser in biologischen Reaktoren verwendet. Das entwickelte Modell kann die Leistung des biologischen Systems bewerten und seine Effizienz anhand der Eingabeparameter abschätzen. Die kinetischen Konstanten KB und Umax für CSB betrugen 0,35 bzw. 1,73 g L−1 d−1. Der R2 betrug 0,98 für die Substratentfernung, wie in Tabelle 6 dargestellt.

Die CSB-Nutzungsrate wurde durch Auftragen von VX/Q (So − Se) gegen 1/Se ermittelt. Der Wert 1/K (0,421) wurde aus dem Achsenabschnitt ermittelt, während der Ks/K-Wert (1,235) die Steigung der Linie darstellte. Die Halbsättigungswerte für die CSB-Entfernung betrugen 0,045 und 0,056 g L−1. Diese Werte lassen auf eine hohe Affinität der Bakterien zum Substrat schließen. Der R2-Wert von 0,95 zeigte einen hervorragenden Korrelationskoeffizienten im Fall von CSB. Das Monod-Modell passt gut für CSB, was zu R2 = 0,98 führt, wie in Tabelle 6 gezeigt.

Diese Studie untersuchte die Leistung eines EBR, der in Reihe mit einem Rohrabscheider zur Behandlung von Krankenhausabwasser verbunden ist. Basierend auf den Ergebnissen einer 55-tägigen Untersuchung konnte der Elektrobioreaktor die Abwasserqualität des Krankenhausabwassers effizient verbessern. In dieser Studie wurde ein neuartiges Kombinationssystem mit Tubesetler eingesetzt. Die Entfernungseffizienz von EBR als individuelles Behandlungssystem ist im Vergleich zu anderen Studien gering. Darüber hinaus hat diese Kombination gegenüber anderen Varianten den Vorteil, dass keine zusätzlichen Filter, Membranen oder Chemikalien erforderlich sind, was sie kostengünstiger und unkomplizierter macht. Daher kann der Tubesetler die Qualität des Abwassers aus der Sekundärbehandlung erfolgreich verbessern.

Darüber hinaus untersucht diese Studie auch die Phosphat- und Nitratreduzierung aus Krankenhausabwässern. Die optimierten Werte für die hydraulische Retentionszeit (HRT) zur maximalen CSB-Entfernung lagen bei etwa 12 Stunden bei einer MLSS-Konzentration von etwa 2500 mg L−1. Die Ergebnisse sind interessant, wenn man bedenkt, dass sie im Vergleich zu den Auswirkungen einer HRT auf eine höhere Entfernung von CSB im Körper kontraintuitiv sind. Die Abnahme der Entfernungswirksamkeit über 12 Stunden hinaus wurde auf die Verringerung des F/M-Verhältnisses im Prozess zurückgeführt, was zu einem Verbrauch von Zellmasse und damit zu einer Verringerung der Wirksamkeit führte. Zukünftige Studien sind erforderlich, um die hohe Phosphatentfernung im Vergleich zur Nitratreduzierung zu untersuchen, da bestimmte Krankenhausbestandteile die Nitratentfernung beeinflussen. Darüber hinaus sind eingehendere Studien erforderlich, um eine hohe Phosphatentfernung trotz eines fünffachen Anstiegs der Zuflusskonzentration im Krankenhausabwasser festzustellen.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind bei [Roohul Abad Khan] erhältlich. Dennoch gelten Einschränkungen hinsichtlich der Verfügbarkeit dieser Daten, die für die aktuelle Forschung unter Lizenz verwendet wurden und daher nicht öffentlich zugänglich sind. Daten sind jedoch auf begründete Anfrage und mit Genehmigung von [Roohul Abad Khan] bei den Autoren erhältlich.

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Die Autoren danken dem Dekanat für wissenschaftliche Forschung der King Khalid University für die Finanzierung dieser Arbeit durch das General Research Project unter der Fördernummer (RGP-2-95-43).

Fakultät für Bauingenieurwesen, King Khalid University, Abha, Saudi-Arabien

Roohulabad Khan & Majed Alsubih

Geographisches Institut, FLSH, LADES-M, Hassan II Universität Casablanca, Mohammedia, Marokko

Rachida El Morabet

Abteilung für Bauingenieurwesen, Jamia Millia Islamia, Neu-Delhi, Indien

Nadeem A Khan & Sirajuddin Ahmed

Erdöl- und Chemieingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universiti Teknologi Brunei, Bandar Seri Begawan, BE1410, Brunei Darussalam

Nabisab Mujawar Mubarak und Rama Rao Karri

Abteilung für Umweltgesundheitstechnik, School of Public Health, Medizinische Universität Teheran, Teheran, Iran

Mohammad Hadi Dehghani

Institut für Umweltforschung, Zentrum für Feststoffabfallforschung, Medizinische Universität Teheran, Teheran, Iran

Mohammad Hadi Dehghani

Abteilung für Organische Chemie, Hochschule und Fakultät für Chemie, Universität für Wissenschaft und Technologie, Teheran, Iran

Nooshin Zomorodiyan

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Konzeptualisierung, Methodik, Betreuung: RAK, NMM, MHD Datenkuration, Schreiben – Originalentwurf: RAK, REM-Visualisierung, Untersuchung: NAKMAS, SA. Software, Validierung: MHD, NMM, NZ Schreiben, Überprüfen und Bearbeiten: MHD, NMM, RRK, NAK

Korrespondenz mit Nadeem A Khan, Nabisab Mujawar Mubarak oder Mohammad Hadi Dehghani.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Khan, RA, Morabet, RE, Khan, NA et al. Entfernung organischer Stoffe und Nährstoffe aus Krankenhausabwasser durch einen Elektrobioreaktor in Verbindung mit einem Röhrenabscheider. Sci Rep 12, 9279 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12166-9

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Eingegangen: 17. Februar 2022

Angenommen: 26. April 2022

Veröffentlicht: 03. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12166-9

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