Kaip patyręs vandens valymo pramonės pardavėjas, džiaugiuosi galėdamas pasidalyti įžvalgomis apie judančios lovos biofilmo reaktoriaus (MBBR) technologiją, labai efektyvų nuotekų valymo metodą, žinomą dėl mažo dumblo tūrio ir paprasto veikimo. Šiame straipsnyje mes gilinsimės, kodėl biofilmas kartais nesugeba susiformuoti MBBR laikmenoje, atsižvelgiant į įvairius aspektus, tokius kaip sistemos darbo principas ir veiksniai, darantys įtaką bioplėvelės formavimui.
MBBR proceso principas
MBBR terpė leidžia mikroorganizmams pritvirtinti prie nešiklio paviršiaus ir sudaryti bioplėvelę. Kai nuotekos teka per nešiklio paviršių, organinės medžiagos ir ištirpęs deguonis vandenyje išsisklaido į bioplėvelę. Biofilmo mikroorganizmai metabolizuoja ir asimiliuoja organines medžiagas esant deguonies. Tada skilimo produktai difuziškai difuziškai į vandens fazę ir orą, veiksmingai žemindami organinius teršalus nuotekose.
Anot Characklis, Liu ir kitų, mikrobų plėvelės susidarymas paprastai eina per keturis etapus: nešiklio paviršiaus modifikavimas, grįžtamasis tvirtinimas, negrįžtamas tvirtinimas ir bioplėvelės susidarymas. Šį procesą galima suskirstyti į du pagrindinius etapus: mikrobų adsorbciją ir sekvestracijos augimą.
Veiksniai, darantys įtaką bioplėvelės formavimui MBBR
1. Vežėjo paviršiaus savybės
MBBR nešiklio paviršiaus krūvis, šiurkštumas, dalelių dydis ir koncentracija tiesiogiai veikia bioplėvelės pritvirtinimą ir formavimąsi. Mikroorganizmai paprastai turi neigiamą krūvį normaliomis augimo sąlygomis. Grubus nešiklio paviršius palengvina bakterinį prisirišimą ir imobilizaciją.
♦ Didesnis nešiklio paviršiaus plotas padidina efektyvų kontaktinį plotą tarp bakterijų ir nešiklio, palyginti su lygiu paviršiumi.
♦ Grubios nešiklio paviršiaus dalys, tokios kaip skylės ir įtrūkimai, veikia kaip skydas, skirtas apsaugoti priliptas bakterijas nuo hidraulinės šlyties jėgų.
Mažesni dalelių dydžio nešikliai labiau linkę generuoti bioplėveles dėl mažos abipusės trinties ir didelio specifinio paviršiaus ploto. Vežėjo koncentracija taip pat yra labai svarbi bioplėvelės formavimui. Wagneris nustatė, kad esant labai mažoms nešiklio masės koncentracijoms, net esant storam bioplėveliui, stabilaus pašalinimo greičio nepavyko pasiekti apdorojant ugniai atsparias nuotekas. Tačiau esant 20-30 g/l nešiklio koncentracijai, reaktorius galėtų pasiekti stabilų pašalinimo greitį net ir tik 20% nešiklių turi ploną biofilmą.
2. Sustabdyta mikrobų koncentracija
Paprastai didėjant suspenduotų mikroorganizmų koncentracijai, taip pat didėja ir mikroorganizmų ir nešiklio kontakto tikimybė. Mikrobų prisirišimo metu yra kritinė suspenduotų mikroorganizmų koncentracija. Prieš šią kritinę vertę mikrobų pernešimas ir difuzija iš skysčio fazės į nešiklio paviršių yra kontroliuojantis žingsnis. Kai ši vertė viršija, mikrobų tvirtinimas ir imobilizavimas ant nešiklio paviršiaus riboja vežėjo efektyvų paviršiaus plotą ir nebėra priklausomi nuo suspenduotų mikroorganizmų koncentracijos.
3. suspenduotų mikroorganizmų aktyvumas
Mikrobų aktyvumas, aprašytas specifiniu augimo greičiu (μ), yra labai svarbus tiriant pradinius bioplėvelės formavimo etapus. Nitrifikuojančių bakterijų prisirišimo ir fiksavimo kiekis ir pradinis greitis ant nešiklio paviršiaus yra proporcingi suspenduotų nitrifikuojančių bakterijų aktyvumui.
♦ Kai suspenduotų mikroorganizmų biologinis aktyvumas yra didelis, jų gebėjimas išskirti tarpląstelinius polimerus taip pat yra didesnis.
♦ Energijos lygis, kuriame gyvena mikroorganizmai, yra tiesiogiai susijęs su jų augimo greičiu.
♦ Mikroorganizmų paviršiaus struktūra skiriasi priklausomai nuo jų aktyvumo.
♦ Tokie veiksniai kaip mikrobų kontaktinis laikas su nešikliu, hidraulinio sulaikymo laikas (HRT), skysčio fazės pH ir hidrodinaminė šlyties jėga taip pat vaidina svarbų vaidmenį.
Įtakos veiksniai MBBR bioplėvelės formavimo proceso metu
1. Biofilmo formavimo proceso metu
Šios jėgos tiesiogiai prisideda prie mikroorganizmų ir nešiklio paviršiaus sąveikos, vaidinančios lemiamą vaidmenį visame bioplėvelės formavimo procese.
2. Vėlinuko paviršiaus hidrofiliškumo efektas
GPUC nešiklio paviršiuje yra hidrofilinių grupių, tokių kaip -oH ir amido grupės. Daugelis mikroorganizmų turi gerą hidrofiliškumą, o nešiklio paviršius ir mikroorganizmo paviršius gali sudaryti vandenilio surišimo struktūras. Laisvoji hidrofilinio nešiklio paviršiaus energija yra mažesnė nei hidrofobinio, todėl mikroorganizmams vandenyje lengviau priartėti ir adsorbuoti ant hidrofilinio nešiklio paviršiaus augimui.
3. Temperatūros poveikis bioplėvelės formavimui
Tinkamas aerobinių mikroorganizmų temperatūros diapazonas yra 10 ~ 35 laipsnių. Vandens temperatūra daro didelę įtaką nitrifikuojančių bakterijų augimui ir nitrifikacijos greičiui. Optimali daugumos nitrifikuojančių bakterijų augimo temperatūra yra 25 ~ 30 laipsnių. Kai temperatūra yra mažesnė nei 25 laipsnių arba didesnė nei 30 laipsnių, nitrifikuojančių bakterijų augimas sulėtėja, o mažesnis nei 10 laipsnių, jų augimas ir nitrifikacija yra žymiai sulėtėję.
Testai, atlikti 10 laipsnių, 20 laipsnių ir 35 laipsnių, parodė, kad 10 laipsnių bioplėvelės formacija prasidėjo lėtai, pastebimas bioplėvelės prisirišimas po 7 dienų ir brendimo po 21 dienų, maksimali pritvirtinta 2,1 g/l biomasė. Esant 35 laipsniams, bioplėvele ėmė formuotis po 4 dienų ir subrendo maždaug po 19 dienų, maksimaliai pritvirtintas bioplėvelės kiekis 3,5 g/l. 20 laipsnių bioplėvele bioplėvele pradėjo formuotis po 2 dienų ir maksimaliai pritvirtintas bioplėvelės kiekis buvo 5,7 g/l po maždaug 10 dienų. Akivaizdu, kad temperatūra daro didelę įtaką bioplėvelės formavimui, o greitesnė inicijavimas tarp 15-30 laipsnio.
Temperatūra yra pagrindinis veiksnys, darantis įtaką biologiniam aktyvumui ir metaboliniam pajėgumui, darantis įtaką nitrifikacijos reakcijos procesui, daugiausia dėl augimo modelio ir biologinio bakterijų nitrifikuojančių bakterijų aktyvumo. Tai daro įtaką biocheminės reakcijos greičiui ir deguonies perdavimo greičiui.
4. Vežėjo specifinio paviršiaus ploto ir paviršiaus šiurkštumo efektas bioplėvelės adhezijos veikimui
Didelis specifinis paviršiaus plotas ir šiurkštumas padidina vežėjo sugebėjimą užfiksuoti mikroorganizmus. Vežėjai, turintys aukštą paviršiaus šiurkštumą, turi stipresnį sugebėjimą perskirstyti vandens srautą, sumažindami bioplėvelės šlyties jėgą ir užtikrinant palankią aplinką maišant ir kontaktuojant tarp mikroorganizmų ir substrato. Apytikslis paviršius turi storesnį laminarinį ribinį sluoksnį nei lygus paviršius, pasižymintis gera statine hidrodinamine aplinka ir išvengti neigiamo vandens srauto šlyties poveikio pritvirtintų mikroorganizmų augimui.