Postęp badań nad działaniem procesów i zastosowaniem MBBR Systemy w niskich temperaturach
Przegląd
Proces reaktora z biofilmem z ruchomym złożem (MBBR) jest obecnie jedną z szeroko stosowanych technologii oczyszczania ścieków z biofilmem. W porównaniu do konwencjonalnych procesów z osadem czynnym, MBBR oferuje takie zalety, jak efektywna jakość ścieków, duża odporność na obciążenia udarowe oraz brak konieczności zawracania osadu lub płukania wstecznego. W okresie niskich-zimowych temperatur, zwłaszcza w regionach północnych i na południowo-zachodnich płaskowyżach, temperatura powietrza może łatwo spaść poniżej 5 stopni, a temperatura wody może spaść poniżej 15 stopni. Niskie temperatury mogą prowadzić do niezgodności-wskaźników ścieków, takich jak chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZT), azot amonowy i azot całkowity w systemach MBBR. Usuwanie azotu z biofilmu obejmuje nitryfikację tlenową i denitryfikację beztlenową, a temperatura jest jednym z kluczowych czynników wpływających na te procesy. Wraz ze spadkiem temperatury szybkość nitryfikacji bakterii w systemach osadu czynnego stopniowo maleje, ze znacznym zmniejszeniem zdolności nitryfikacji, gdy temperatura spada poniżej 8 stopni. W tym artykule systematycznie omówiono działanie procesów MBBR w warunkach niskiej-temperatury z uwzględnieniem takich aspektów, jak społeczności drobnoustrojów, technologie ulepszania nośników oraz kombinacje i manipulacje procesami, zapewniając odniesienia do dalszych badań i zastosowań.
1. Badania społeczności drobnoustrojów w nisko-systemach MBBR
Obecnie podstawowym procesem w oczyszczalniach ścieków jest oczyszczanie biologiczne.Niskie temperatury zimą (mniejsze lub równe 15 stopni) hamują aktywność bakterii nitryfikacyjnych w bioreaktorach, wpływając na proces nitryfikacji i ograniczając zdolność usuwania azotu z układu. Bakterie nitryfikacyjne są autotroficzne, charakteryzują się długimi cyklami generacyjnymi i są wrażliwe na zmiany temperatury, a optymalny zakres temperatur wzrostu wynosi 20–35 stopni.
1.1 Aktywność mikrobiologiczna
Biofilmy w reaktorach MBBR przyczepiają się do powierzchni nośników, wspierając rozwój mikroorganizmów o długich cyklach generacyjnych, zwiększając tym samym zawartość bakterii nitryfikacyjnych w układzie. W porównaniu z procesami z osadem czynnym MBBR wykazuje większą skuteczność nitryfikacji w niskich temperaturach, co czyni go powszechnie stosowanym w-temperaturowym oczyszczaniu ścieków. Niska temperatura jest jednym z ważnych czynników środowiskowych wpływających na wydajność nitryfikacji tego reaktora. Obniżenie temperatury prowadzi do zmniejszenia płynności błony komórkowej i katalizy enzymatycznej, zmniejszenia transportu materiału i tempa metabolizmu, wpływając w ten sposób na stabilność drugorzędowych struktur kwasów nukleinowych i hamując replikację DNA, transkrypcję mRNA i translację. Kiedy temperatura spada poniżej punktu zamarzania cytoplazmy, w komórkach tworzą się kryształki lodu, powodując poważne uszkodzenia strukturalne. Badania Qiu Tian i in. pokazał toaktywność utleniania amoniaku i utleniania azotynów biofilmu MBBR w 10 stopniach wynosiła odpowiednio 55% i 56% aktywności w 20 stopniach. Zheng Zhijia i in. zbadał szybkość nitryfikacji osadu czynnego woczyszczalni ścieków latem (20 stopni) i zimą (8 stopni), stwierdzając, że stopień nitryfikacji azotu amoniakalnego w temperaturze 8 stopni wynosił 48,5% w porównaniu do temp. 20 stopni. Wpływ niskiej temperatury na zdolność nitryfikacyjną zbiorników biochemicznych obejmuje dwa aspekty: po pierwsze, niska temperatura wpływa na aktywność zbiorowisk bakterii nitryfikacyjnych, a po drugie, długotrwałe niskie temperatury zmniejszają populację bakterii nitryfikacyjnych w osadzie czynnym.
1.2 Konkurs społeczności drobnoustrojów
Ponieważ bakterie nitryfikacyjne są autotroficzne, inne zbiorowiska drobnoustrojów znacząco wpływają na proces nitryfikacji i silnie konkurują z bakteriami nitryfikacyjnymi. Houweling i in. przeprowadzili eksperymenty z procesem MBBR, wykazując, że w temperaturze 4 stopni MBBR ma pewien potencjał nitryfikacji, ale nadmierny rozwój mikroorganizmów heterotroficznych w systemie w pewnym stopniu zmniejsza szybkość nitryfikacji. Shao Shuhai i in. wskazali, że efekt usuwania azotu przez jednoetapowy-MBBR nie jest idealny ze względu na konkurencję między bakteriami nitryfikacyjnymi i heterotroficznymi. Han Wenjie i in. zbadali zmiany społeczności drobnoustrojów i wzorce dystrybucji biologicznej w oczyszczalni ścieków przy użyciu procesów hybrydowych MBBR w sezonach o niskiej-temperaturze i odkryli, że liczba gatunków drobnoustrojów w zawieszonych biofilmach nośnikowych była niższa niż w osadzie czynnym z tego samego systemu, przy nierównym rozmieszczeniu gatunków. Dodatek zawieszonych nośników zwiększył różnorodność drobnoustrojów w systemie, podczas gdy tryby wpływania i działania miały pewną selektywność w stosunku do składu społeczności drobnoustrojów. Wu Han i in. symulowane oczyszczanie ścieków bytowych przy użyciu trzech sekwencyjnych reaktorów wsadowych MBBR z różnymi rodzajami wypełniaczy. Stopniowo obniżając temperatury (25, 20, 15, 10, 6 i 5 stopni) w celu wyhodowania i aklimatyzacji biofilmów w ściekach o niskiej-temperaturze, odkryli, że w trzech reaktorach dominowały różne mikroorganizmy. Wyniki-wysokoprzepustowego sekwencjonowania wykazały, że w temperaturze 5 stopni we wszystkich trzech reaktorach dominowały mikroorganizmy rozkładające materię organiczną; w jednym reaktorze pomyślnie aklimatyzowano i wzbogacano psychrofilne bakterie nitryfikacyjne, podczas gdy w pozostałych dwóch występowała większa liczebność-bakterii wiążących azot, niesprzyjających usuwaniu azotu.
1.3 Aklimatyzacja mikroorganizmów psychrofilnych
Technologia aklimatyzacji i ulepszania wzbogacania społeczności drobnoustrojów dominujących w niskich{0}temperaturachto skuteczna metoda poprawy wydajności operacyjnej i stabilności MBBR w warunkach-niskich temperatur. Poprzez stopniową indukcję i zoptymalizowaną hodowlę dominujące populacje są poddawane przeglądowi i stosowane, wykorzystując silną tolerancję społeczności drobnoustrojów w celu ograniczenia wpływu niskich temperatur, zapewniając-potencjał długoterminowej stabilności. Wang Dan i in. odkryli, że w zimowych warunkach niskiej-temperatury dodanie aktywowanego osadu zawierającego-tolerancyjne na zimno zbiorowiska drobnoustrojów w celu uzyskania bioreaktora hybrydowego symbiotycznego-biofilmu z osadem czynnym zapewniało korzyści, takie jak szybki rozruch, szybkie tworzenie biofilmu i stabilne efekty oczyszczania. Delatolla i in. odkryli, że dekarbonizacja układu o 1 stopień zwiększyła aktywną biomasę nitryfikacyjną, zagęściła biofilm, skutecznie zwiększyła liczbę żywotnych komórek podczas pracy-w niskiej temperaturze i poprawiła wydajność nitryfikacji systemu. Dodatkowo NO, N₂H₄, NH₂OH itp. to kluczowe półprodukty, które stymulują proces beztlenowego utleniania amonu (anammox) i łagodzą hamowanie bakterii anammox przez NO₂. Zekker i wsp. w badaniu dotyczącym oczyszczania ścieków o wysokim-stęeniu (stężenie azotu amonowego 740 mg/l) za pomocą systemu MBBR odkryli, że dodanie NO znacznie przyspiesza proces anammox, a ilość bakterii utleniających amoniak-zwiększa się proporcjonalnie podczas pracy systemu.
2. Badania nad technologiami udoskonalania nośników MBBR w niskich temperaturach
Dobór zawieszonych wypełniaczy MBBR jest jedną z podstawowych technologii tego procesu oczyszczania ścieków i kluczowym czynnikiem wpływającym na efektywność procesu i koszty inżynierii. Powszechnie stosowane typy wypełniaczy obejmują między innymi wypełniacze o strukturze plastra miodu, wypełniacze pół{1}}miękkie i wypełniacze kompozytowe. W praktycznych zastosowaniach mogą wystąpić problemy, takie jak zatykanie wypełniacza, aglomeracja i starzenie się. W warunkach niskiej-temperatury tworzenie się biofilmu na wypełniaczach MBBR jest wolniejsze, co potencjalnie wydłuża okresy uruchamiania sprzętu, utrudnia normalne funkcjonowanie procesu, co skutkuje słabą odpornością na obciążenia udarowe i brakiem osiągnięcia oczekiwanych efektów oczyszczania. Stosowane przemysłowo nośniki zawieszone MBBR różnią się rozmiarem i kształtem i są wykonane z polimerów wielkocząsteczkowych, takich jak polietylen o dużej-gęstości (HDPE), polietylen (PE) lub polipropylen (PP), metodami takimi jak wytłaczanie ze stopu lub granulacja. Dzięki inżynieryjnemu zastosowaniu tego procesu-na dużą skalę różnorodność przewoźników komercyjnych stopniowo się zwiększała. Projekt i przetwarzanie nośnika można dostosować do jakości wody i charakterystyki wzrostu drobnoustrojów, umożliwiając ukierunkowaną optymalizację i ulepszenia w celu ulepszenia systemów biofilmu MBBR w-warunkach niskiej temperatury. W zastosowaniach praktycznych modyfikacje nośnika skupiają się przede wszystkim na poprawie powierzchni właściwej, hydrofilowości,-powinowactwa biologicznego, właściwości magnetycznych itp. w celu poprawy przenoszenia masy nośnika, tworzenia biofilmu i wydajności oczyszczania ścieków.
2.1 Ładowanie magnetyczne
Aktualne badania dotyczyły wykorzystania pól magnetycznych do optymalizacji wydajności oczyszczania ścieków MBBR w niskich temperaturach.Pola magnetyczne o określonej sile mogą usprawnić usuwanie zanieczyszczeń w procesach biologicznego oczyszczania. W słabych polach magnetycznych zanieczyszczenia organiczne wzbogacają się na powierzchni magnetycznych nośników biologicznych w wyniku agregacji magnetycznej i adsorpcji, wspomaganej przez siły magnetyczne, siły Lorentza i efekty magneto-koloidalne. W odpowiednim zakresie intensywności pola magnetyczne mogą poprawić wykorzystanie tlenu przez drobnoustroje, poprawić metabolizm wzrostu drobnoustrojów i aktywność enzymów oraz zwiększyć przepuszczalność błony komórkowej. Jing Shuangyi i in. zbadali porównawcze skutki dodania nośników magnetycznych [polietylenu, proszku magnetycznego neodymowo-żelazowo-borowego (Nd₂Fe₁₄B) i poliquaternium-10 (PQAS-10) itp.] w porównaniu z nośnikami komercyjnymi w reaktorach MBBR. Wyniki pokazały, że w warunkach-niskiej temperatury nośniki magnetyczne znacząco poprawiały aktywność nitryfikacji biofilmu, wspomagały wydzielanie zewnątrzkomórkowej substancji polimerowej (EPS) oraz utrzymywały i poprawiały morfologię i strukturę biofilmu. Nośniki magnetyczne wzbogaciły więcej rodzajów bakterii nitryfikacyjnych, przy czym względna liczebność bakterii utleniających amoniak i bakterii utleniających azotyny wzrosła odpowiednio 1,82 razy i 1,05 razy w porównaniu z nośnikami komercyjnymi, a także zaaklimatyzowała i wzbogaciła dwa unikalne rodzaje bakterii nitryfikacyjnych.
2.2 Modyfikacja przewoźnika
Oprócz obciążenia magnetycznego modyfikacja powinowactwa tradycyjnych materiałów nośnikowych, takich jak polietylen, jest również ważnym sposobem na poprawę wydajności tworzenia biofilmu wypełniacza. Sun Bo i in. wykorzystali nowatorskie nanozawiesiny wypełniaczy do oczyszczania ścieków bytowych o niskiej-temperaturze. W temperaturze 10–12 stopni okres tworzenia biofilmu w przypadku nanowypełniaczy był krótszy niż 18 dni i był krótszy niż w przypadku innych wypełniaczy, przy stałym współczynniku usuwania ChZT w systemie na poziomie około 75%, co świadczy o dobrej wartości promocyjnej. Ren Yanqiang i in. wykorzystali zawieszone wypełniacze o strukturze plastra miodu, wykonane z wysoce hydrofilowych materiałów stopowych polimerów, do oczyszczania ścieków z osadnika pierwotnego oczyszczalni ścieków w warunkach-niskiej temperatury. Wyniki wykazały, że te zawieszone wypełniacze skutecznie poprawiają zdolność przylegania-powierzchniowo aktywnych mikroorganizmów, pomagając w zwiększeniu efektów oczyszczania w procesie MBBR. Han Xiaoyun i in. wykorzystano miękką piankę poliuretanową o rozwiniętej strukturze porów jako unieruchomiony nośnik do utrwalania skutecznych-odpornych na zimno zbiorowisk drobnoustrojów oddzielonych od osadu czynnego. Po dodaniu tego wypełniacza do reaktora efekty oczyszczania zanieczyszczeń uległy znacznej poprawie, przy współczynniku usuwania ChZT wynoszącym 82% i współczynniku usuwania biochemicznego zapotrzebowania tlenu (BZT) wynoszącym 92% w warunkach-niskiej temperatury. Chena i in. zastosowali proces MBBR z wypełniaczem żelowym z alkoholem poliwinylowym (PVA) zaszczepionym bakteriami HN-AD do oczyszczania ścieków z hodowli bydła i drobiu zamiast osadu czynnego. Przy różnych proporcjach węgla-do-azotu (C/N) działanie różnych nośników znacznie się różniło. Porowata struktura żelu PVA zapewnia ochronę bakteriom, co skutkuje bardziej stabilnym działaniem. Analiza mikrobiologiczna wykazała, że proces MBBR z nośnikami żelowymi PVA sprzyja wzrostowi bakterii autotroficznych i bakterii HN-AD (Paracoccus i Acinetobacter).
3. Połączenie procesów i Regulacja MBBR w niskich temperaturach
System ten ma wyjątkowe wymagania dotyczące tworzenia biofilmu na powierzchniach wypełniacza, co podkreśla znaczenie kombinacji procesów i regulacji. Stabilną nitryfikację w MBBR można osiągnąć poprzez regulację parametrów i stosunków procesu; kompensowanie skutków niskiej temperatury poprzez bardziej rygorystyczne ograniczenia jest metodą stosunkowo bezpośrednią i skuteczną.
3.1 Napowietrzanie
Proces MBBR jest obecnie stosowany głównie w środowiskach aerobowych. Szybkość i metoda napowietrzania w reaktorze bezpośrednio wpływają na zawartość rozpuszczonego tlenu (DO) w systemie i charakterystykę tworzenia biofilmu, wpływając tym samym na poziom degradacji substancji zanieczyszczających. Chen Long i wsp. podczas oczyszczania ścieków przemysłowych skutecznie poradzili sobie z trudnościami w tworzeniu biofilmu, stosując takie środki, jak napowietrzanie okresowe, osiągając stopień usuwania ChZT na poziomie 95,5% i stopień usuwania azotu amonowego na poziomie 91%. Persson i in. zastosował MBBR do oczyszczania zmieszanych ścieków z odpadów kuchennych i czarnej wody po beztlenowej obróbce wstępnej w temperaturze 10 stopni, osiągając całkowitą nitryfikację poprzez przerywane napowietrzanie. Bian i in. odkryli, że kontrolowanie stałego stosunku pomiędzy DO i całkowitym stężeniem azotu amonowego optymalizuje efekty ścieków w niskich temperaturach; gdy współczynnik kontroli nie przekraczał 0,17, proces nitryfikacji utrzymywał się na stabilnym poziomie 6 stopni.
3.2 Stosunek węgla-do-azotu (C/N)
Istnieje oczywista konkurencja pomiędzy bakteriami nitryfikacyjnymi i heterotroficznymi; dlatego regulacja C/N staje się ważnym parametrem wpływającym na równowagę pomiędzy materią organiczną a degradacją azotu w systemie. Chena i in. wykazało, że w systemach MBBR, gdy C/N wynosił od 4 do 15, stopień usuwania ChZT przekraczał 90%. Gdy C/N spadło do 1, stopień usuwania ChZT znacznie spadł. Skuteczność usuwania azotu amonowego w systemie najpierw wzrosła, a następnie spadła wraz ze zmniejszeniem C/N. Chena i in. zbadali wpływ C/N na wydajność reaktora A/O-MBBR oczyszczającego ścieki z marikultury.Wyniki wykazały, że zmniejszenie C/N Jest korzystne dla poprawa efektywności usuwania ChZT i azotu amonowego.
3.3 Czas retencji hydraulicznej
Hydrauliczny czas retencji (HRT) określa ładunek aktywnego osadu w układzie reakcyjnym. Zbyt wysoka lub zbyt niska HTZ może mieć wpływ na skuteczność oczyszczania i koszty budowy/operacyjne systemów MBBR. Wybór rozsądnego HRT ma kluczowe znaczenie dla stabilnego działania systemu. Van i in. zastosował MBBR do kontroli zanieczyszczeń ze źródeł-niepunktowych w rolnictwie w niskich temperaturach. Badania wykazały, że w temperaturze 5 stopni, wraz ze spadkiem HRT, skuteczność usuwania zanieczyszczeń znacznie spadła, przy czym minimalny czas retencji wynoszący 8 godzin zapewniający denitryfikację azotanów do azotu gazowego. Wang Chuanxin i in. oczyszczone ścieki bytowe za pomocą beztlenowego/tlenowego układu biofilmu, skupiającego się na charakterystyce jednoczesnej nitryfikacji i denitryfikacji w MBBR w niskich temperaturach. Wyniki wykazały, że system dobrze przystosował się do sezonowych spadków temperatury poprzez wydłużenie HRT, stabilizację ChZT i stężenia azotu amonowego w ściekach w celu spełnienia norm. Shitu zastosował nowatorski wypełniacz gąbkowy jako nośnik biofilmu MBBR, aby zbadać jego wpływ na uzdatnianie wody w różnych HTZ. Wyniki wykazały, że efekty uzdatniania wody były najlepsze przy HTZ trwającej 6 godzin. Zhao Wenbin i in. wykazało, że optymalny HRT do usuwania zanieczyszczeń ze ścieków przez systemy MBBR w-warunkach niskiej temperatury wynosił 24 godziny. Han Lei i in. zbadali szybkość usuwania zanieczyszczeń, gdy HRT skrócono z 15,4 h do 11,0 h w połączonym procesie utleniania DE + MBBR. Wyniki pokazały, że w miarę skracania się HRT skuteczność usuwania zanieczyszczeń stopniowo spadała, ale jakość ścieków mogła nadal spełniać docelowe wymagania dotyczące jakości wody, co odzwierciedla dużą odporność systemu MBBR na obciążenia udarowe.
3.4 Kombinacja procesów
Deng Rui i in. zbadał dwu-etapowy proces A/O-MBBR do oczyszczania ścieków komunalnych. W warunkach niskiej temperatury wody i niskiego stężenia dopływu ten połączony proces wykazał dużą odporność na obciążenia udarowe i zdolność dostosowywania się do temperatury, stabilną pracę i wygodną obsługę, wykazując dobre perspektywy zastosowania w oczyszczaniu ścieków. Luostarinen i in. badali wpływ oczyszczania procesu MBBR na ścieki mleczne po beztlenowej obróbce wstępnej w niskich temperaturach. Wyniki wykazały, że proces ten umożliwia usunięcie 40–70% ChZT, 50–60% azotu, a połączenie beztlenowego koca osadowego z przepływem w górę (UASB) i MBBR może usunąć 92% ChZT, 99% BZT i 65–70% azotu. Ru Chun i in. zastosował zmodyfikowany proces Bardenpho-MBBR + proces wytrącania z obciążeniem magnetycznym do renowacji oczyszczalni ścieków. Dostosowując punkty dozowania źródła węgla i wdrażając w systemie wielo-punktowy dopływ i wielo-punktowy refluks, osiągnięto efektywne wykorzystanie dodanych z zewnątrz źródeł węgla, zapewniając efekty nitryfikacji i denitryfikacji w temperaturze 8,7 stopnia, przy stabilnej jakości ścieków lepszej niż standardy zrzutu.
Wniosek
W warunkach niskiej-temperatury aktywność drobnoustrojów w systemach MBBR maleje i istnieje oczywista konkurencja pomiędzy mikroorganizmami heterotroficznymi przetwarzającymi materię organiczną i mikroorganizmami autotroficznymi przetwarzającymi azot amonowy. Dlatego też, w oparciu o skład substancji zanieczyszczających wodę surową i wymagania dotyczące wskaźników ścieków, należy w pełni rozważyć odpowiednią C/N. Aby zapewnić jakość ścieków, należy wdrożyć takie środki, jak ulepszanie i aklimatyzacja szczepów dominujących w niskiej-temperaturze, ukierunkowane wzbogacanie i zwiększanie liczebności dominujących populacji na nośnikach.
Ulepszanie nośnika jest ważnym sposobem poprawy-tolerancji systemów MBBR na niskie temperatury i zwiększenia wydajności degradacji procesu. Konkretne środki obejmują głównie obciążenie magnetyczne i obróbkę strukturalną nośników. Ładowanie magnetyczne może zwiększyć przyczepność bakterii nitryfikacyjnych w niskich temperaturach, wzmocnić proces wydzielania EPS i poprawić aktywność bakterii; optymalizacja struktury nośnika i właściwości powierzchni może przyspieszyć efektywność przenoszenia masy substancji zanieczyszczających, poprawić ich zdolność do zestalenia i ochrony społeczności drobnoustrojów oraz utrzymać bardziej stabilną wydajność systemu.
Sam proces MBBR charakteryzuje się pewną-odpornością na niskie temperatury. Jednak w obliczu ciągłego doskonalenia standardów jakości ścieków w oczyszczalniach ścieków, dostosowanie warunków pracy i połączenie procesów MBBR w warunkach niskiej-temperatury stały się ważnymi treściami badawczymi prowadzącymi do przełomu w procesie. Dla różnych rodzajów ścieków optymalne warunki pracy należy określić na podstawie rzeczywistych sytuacji. Tymczasem rozsądne kombinacje procesów mogą skutecznie zwiększyć odporność na obciążenia udarowe, zdolność adaptacji do temperatury i stabilność systemu systemów MBBR w stosunku do substancji zanieczyszczających.