Proceso veikimo ir MBBR taikymo tyrimų pažanga Sistemos esant žemai temperatūrai
Apžvalga
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) procesas yra viena iš šiuo metu plačiai naudojamų bioplėvelės nuotekų valymo technologijų. Palyginti su įprastais aktyviojo dumblo procesais, MBBR siūlo tokius privalumus kaip efektyvi nuotekų kokybė, didelis atsparumas smūginėms apkrovoms ir nereikalaujama dumblo grąžinimo ar atgalinio plovimo. Žemos temperatūros laikotarpiu žiemą, ypač šiauriniuose regionuose ir pietvakarių plynaukštėse, oro temperatūra gali lengvai nukristi žemiau 5 laipsnių, o vandens temperatūra nukristi žemiau 15 laipsnių. Dėl žemos temperatūros gali neatitikti nuotekų rodiklių, pvz., cheminio deguonies poreikio (COD), amoniakinio azoto ir bendro azoto MBBR sistemose. Bioplėvelės azoto pašalinimas apima aerobinę nitrifikaciją ir anoksinę denitrifikaciją, o temperatūra yra vienas iš pagrindinių veiksnių, turinčių įtakos šiems procesams. Temperatūrai mažėjant, bakterijų nitrifikacijos greitis aktyviojo dumblo sistemose palaipsniui mažėja, o nitrifikacijos pajėgumas labai sumažėja, kai temperatūra nukrenta žemiau 8 laipsnių. Šiame straipsnyje sistemingai aprašomas MBBR procesų veikimas žemos temperatūros sąlygomis, atsižvelgiant į tokius aspektus kaip mikrobų bendruomenės, nešiklio tobulinimo technologijos ir procesų deriniai bei manipuliavimas, pateikiant nuorodas tolesniems tyrimams ir taikymui.
1. Mikrobų bendruomenių tyrimas žemos temperatūros MBBR sistemose
Šiuo metu pagrindinis nuotekų valymo įrenginių procesas yra biologinis valymas.Žema temperatūra žiemą (mažesnė arba lygi 15 laipsnių) stabdo nitrifikuojančių bakterijų aktyvumą bioreaktoriuose, paveikia nitrifikacijos procesą ir riboja sistemos azoto šalinimo pajėgumus.. Nitrifikuojančios bakterijos yra autotrofinės, turinčios ilgus generavimo ciklus ir jautrios temperatūros pokyčiams, o optimali augimo temperatūra yra 20–35 laipsnių.
1.1 Mikrobų aktyvumas
Bioplėvelės MBBR reaktoriuose auga prisitvirtinusios prie nešiklio paviršių, palaikydamos mikroorganizmų augimą ilgais generavimo ciklais, taip padidindamos nitrifikuojančių bakterijų kiekį sistemoje. Palyginti su aktyviojo dumblo procesais, MBBR pasižymi geresne nitrifikacija žemoje temperatūroje, todėl jis plačiai naudojamas žemos temperatūros nuotekoms valyti. Žema temperatūra yra vienas iš svarbių aplinkos veiksnių, turinčių įtakos šio reaktoriaus nitrifikacijai. Temperatūros mažinimas sumažina ląstelių membranų sklandumą ir fermentų katalizę, sumažina medžiagų transportavimą ir medžiagų apykaitos greitį, taip paveikiant nukleorūgščių antrinių struktūrų stabilumą ir slopinant DNR replikaciją, mRNR transkripciją ir transliaciją. Kai temperatūra nukrenta žemiau citoplazmos užšalimo taško, ląstelėse susidaro ledo kristalai, sukeldami rimtus struktūrinius pažeidimus. Qiu Tian ir kt. tyrimai. tai parodėMBBR bioplėvelės amoniako oksidacijos ir nitritų oksidacijos aktyvumas 10 laipsnių temperatūroje buvo atitinkamai 55% ir 56% 20 laipsnių temperatūroje.. Zheng Zhijia ir kt. Išbandė aktyviojo dumblo nitrifikacijos greitįnuotekų valyklą vasarą (20 laipsnių) ir žiemą (8 laipsniai), nustačius, kad amoniakinio azoto nitrifikacijos greitis 8 laipsnių temperatūroje buvo 48,5% nuo 20 laipsnių.. Žemos temperatūros įtaka biocheminių rezervuarų nitrifikacijos pajėgumui apima du aspektus: pirma, žema temperatūra veikia nitrifikuojančių bakterijų bendrijų aktyvumą, antra, užsitęsus žemai temperatūrai, aktyviajame dumble sumažėja nitrifikuojančių bakterijų populiacija.
1.2 Mikrobų bendruomenės konkurencija
Kadangi nitrifikuojančios bakterijos yra autotrofinės, kitos mikrobų bendruomenės daro didelę įtaką nitrifikacijos procesui ir stipriai konkuruoja su nitrifikuojančiomis bakterijomis. Houweling ir kt. atliko MBBR proceso eksperimentus, rodančius, kad esant 4 laipsniui MBBR turi tam tikrą nitrifikacijos potencialą, tačiau per didelis heterotrofinių mikroorganizmų augimas sistemoje tam tikru mastu sumažino nitrifikacijos greitį. Shao Shuhai ir kt. nurodė, kad vienos -pakopos MBBR azoto šalinimo poveikis nėra idealus dėl konkurencijos tarp nitrifikuojančių ir heterotrofinių bakterijų. Han Wenjie ir kt. ištyrė mikrobų bendruomenės pokyčius ir biologinio pasiskirstymo modelius nuotekų valymo įrenginyje, naudojant MBBR hibridinius procesus žemos temperatūros sezonais, ir nustatė, kad mikrobų rūšių skaičius suspenduotose nešiklio bioplėvelėse buvo mažesnis nei aktyviajame dumble iš tos pačios sistemos, o rūšių pasiskirstymas netolygus. Pridėjus suspenduotų nešiklių, sistemoje padidėjo mikrobų įvairovė, o įtakingi ir veikimo režimai turėjo tam tikrą selektyvumą mikrobų bendruomenės sudėčiai. Wu Han ir kt. imituotas buitinių nuotekų valymas, naudojant tris nuoseklius MBBR reaktorius su skirtingų tipų užpildais. Palaipsniui mažindami temperatūrą (25, 20, 15, 10, 6 ir 5 laipsniais), kad būtų auginamos ir aklimatizuojamos žemos temperatūros nuotekų bioplėvelės, jie nustatė, kad trijuose reaktoriuose vyrauja skirtingi mikroorganizmai. Didelio{21}}našumo sekos nustatymo rezultatai parodė, kad 5 laipsnių kampu visuose trijuose reaktoriuose vyravo mikroorganizmai, skaidantys organines medžiagas; vienas reaktorius sėkmingai aklimatizavo ir praturtino psichofilines nitrifikuojančias bakterijas, o kituose dviejuose buvo daugiau azotą -fiksuojančių bakterijų, nepalankių azotui pašalinti.
1.3 Psichofilinių mikroorganizmų aklimatizacija
Aklimatizavimo ir sodrinimo pagerinimo technologija, skirta žemai temperatūrai dominuojančioms{0}}mikrobų bendruomenėmsyra veiksmingas būdas pagerinti MBBR veikimo efektyvumą ir stabilumą esant žemai{0}}temperatūrai. Taikant laipsnišką indukciją ir optimizuotą auginimą, dominuojančios populiacijos yra tikrinamos ir taikomos, naudojant stiprią mikrobų bendruomenių toleranciją, siekiant sumažinti žemos temperatūros poveikį, o tai suteikia ilgalaikio stabilumo potencialą. Wang Dan ir kt. nustatė, kad žiemos žemos -temperatūros sąlygomis aktyvuoto dumblo, kuriame yra šalčiui-tolerantiškų mikrobų bendruomenių, pridėjimas, kad būtų sukurtas aktyvusis dumblas-bioplėvelės simbiotinis hibridinis bioreaktorius, suteikė tokių pranašumų kaip greitas paleidimas, greitas bioplėvelės susidarymas ir stabilus apdorojimo poveikis. Delatolla ir kt. atrado, kad dekarbonizavus sistemą 1 laipsniu, padidėjo nitrifikuojanti aktyvi biomasė, sutirštėja bioplėvelė, efektyviai padidėjo gyvybingų ląstelių skaičius dirbant žemoje temperatūroje ir pagerėjo sistemos nitrifikacijos našumas. Be to, NO, N2H4, NH2OH ir kt. yra pagrindiniai tarpiniai produktai, skatinantys anaerobinį amonio oksidacijos (anamokso) procesą ir palengvinantys anamokso bakterijų slopinimą NO₂. Zekker ir kt., atlikę tyrimą, kuriame didelės koncentracijos nuotekos (amoniako azoto koncentracija 740 mg/l) buvo tvarkomos MBBR sistema, nustatė, kad NO pridėjimas žymiai pagreitino anamokso procesą, o amoniaką oksiduojančių bakterijų gausa proporcingai padidėjo sistemos veikimo metu.
2. Nešiklio tobulinimo technologijų, skirtų MBBR žemoje temperatūroje, tyrimas
Pakabinamų MBBR užpildų pasirinkimas yra viena iš pagrindinių šio nuotekų valymo proceso technologijų ir pagrindinis veiksnys, turintis įtakos proceso efektyvumui ir inžinerinėms išlaidoms. Dažniausiai naudojami užpildų tipai yra korio užpildai, pusiau{1}}minkšti užpildai ir sudėtiniai užpildai. Praktikoje gali kilti problemų, tokių kaip užpildo užsikimšimas, aglomeracija ir senėjimas. Esant žemai -temperatūrai, bioplėvelės formavimasis ant MBBR užpildų yra lėtesnis, todėl gali pailgėti įrangos paleidimo laikotarpiai, trukdyti normaliam proceso veikimui, dėl to prastas atsparumas smūgiams ir nepasiekiamas laukiamas gydymo poveikis. Pramoniniu būdu naudojami pakabinami MBBR laikikliai skiriasi dydžiu ir forma ir yra pagaminti iš didelės molekulinės masės polimerų, tokių kaip didelio -tankio polietilenas (HDPE), polietilenas (PE) arba polipropilenas (PP), naudojant tokius metodus kaip lydalo ekstruzija arba granuliavimas. Dėl didelio masto-inžinerinio šio proceso taikymo komercinių operatorių įvairovė palaipsniui didėjo. Nešiklio projektavimas ir apdorojimas gali būti pritaikytas vandens kokybei ir mikrobų augimo savybėms, todėl galima tikslingai optimizuoti ir tobulinti MBBR bioplėvelių sistemas žemos temperatūros sąlygomis. Praktiškai naudojant nešiklio modifikacijas pirmiausia siekiama pagerinti specifinį paviršiaus plotą, hidrofiliškumą, biologinį afinitetą, magnetines savybes ir kt., siekiant pagerinti nešiklio masės perdavimą, bioplėvelės susidarymą ir nuotekų valymo efektyvumą.
2.1 Magnetinė apkrova
Dabartiniais tyrimais buvo tiriamas magnetinių laukų naudojimas, siekiant optimizuoti MBBR nuotekų valymo pajėgumus esant žemai temperatūrai.Tam tikro stiprumo magnetiniai laukai gali pagerinti teršalų pašalinimą biologinio valymo procesuose. Esant silpniems magnetiniams laukams, organiniai teršalai yra praturtinami magnetinių biologinių nešėjų paviršiuje dėl magnetinės agregacijos ir adsorbcijos, padedami magnetinių jėgų, Lorenco jėgų ir magneto{1}}koloidinio poveikio. Tinkamo intensyvumo diapazone magnetiniai laukai gali pagerinti mikrobų deguonies panaudojimą, sustiprinti mikrobų augimo metabolizmą ir fermentų aktyvumą bei padidinti ląstelių membranų pralaidumą. Jing Shuangyi ir kt. ištyrė lyginamąjį magnetinių nešiklių [polietileno, neodimio geležies boro magnetinių miltelių (Nd₂Fe₁₄B) ir polikvaternio -10 (PQAS-10) ir kt.] pridėjimo poveikį, palyginti su komerciniais nešikliais MBBR reaktoriuose. Rezultatai parodė, kad žemos temperatūros sąlygomis magnetiniai nešikliai žymiai pagerino bioplėvelės nitrifikacijos aktyvumą, paskatino ekstraląstelinės polimerinės medžiagos (EPS) sekreciją ir išlaikė bei pagerino bioplėvelės morfologiją ir struktūrą. Magnetiniai nešikliai praturtino daugiau nitrifikuojančių bakterijų genčių, santykinis amoniaką oksiduojančių bakterijų ir nitritus oksiduojančių bakterijų skaičius padidėjo atitinkamai 1,82 karto ir 1,05 karto, palyginti su komerciniais nešikliais, ir aklimatizavo bei praturtino dvi unikalias nitrifikuojančių bakterijų gentis.
2.2 Vežėjo modifikavimas
Be magnetinės apkrovos, tradicinių nešiklio medžiagų, tokių kaip polietilenas, afiniteto modifikavimas taip pat yra svarbus būdas pagerinti užpildo bioplėvelės susidarymą. Sun Bo ir kt. naudojo naujus nano suspenduotus užpildus žemos -temperatūros buitinėms nuotekoms valyti. 10–12 laipsnių temperatūroje nano užpildų bioplėvelės susidarymo laikotarpis buvo trumpesnis nei 18 dienų, trumpesnis nei kitų užpildų, o sistemos COD pašalinimo greitis stabilus – apie 75%, o tai rodo gerą reklaminę vertę. Ren Yanqiang ir kt. naudojo korio tipo suspenduotus užpildus, pagamintus iš labai hidrofilinių polimerų lydinių medžiagų, skirtų nuotekoms iš nuotekų valymo įrenginių pirminio nusodinimo rezervuaro valyti žemos temperatūros sąlygomis. Rezultatai parodė, kad šie suspenduoti užpildai veiksmingai pagerino paviršinio aktyvumo mikroorganizmų prisirišimo gebą ir padėjo sustiprinti MBBR proceso gydymo poveikį. Han Xiaoyun ir kt. naudojo minkštas poliuretano putas su išvystyta porų struktūra kaip imobilizuotą nešiklį, kad pritvirtintų efektyvias šalčiui atsparias mikrobų bendruomenes, atskirtas nuo aktyviojo dumblo. Pridėjus šio užpildo į reaktorių, teršalų valymo efektai gerokai pagerėjo – 82 % pašalinimo COD rodiklis ir 92 % biocheminio deguonies poreikio (BOD) pašalinimo greitis žemos temperatūros sąlygomis. Chen ir kt. naudojo MBBR procesą su polivinilo alkoholio (PVA) gelio užpildu, užkrėstu HN-AD bakterijomis, kad apdorotų gyvulių ir paukščių veisimo nuotekas, o ne aktyvųjį dumblą. Esant skirtingam anglies -ir azoto santykiui (C/N), skirtingų nešėjų našumas labai skyrėsi. Porėta PVA gelio struktūra apsaugojo nuo bakterijų, todėl veikimas yra stabilesnis. Mikrobų analizė parodė, kad MBBR procesas su PVA gelio nešikliais paskatino autotrofinių bakterijų ir HN-AD bakterijų (Paracoccus ir Acinetobacter) augimą.
3. Procesų derinys ir MBBR reguliavimas žemoje temperatūroje
Ši sistema turi unikalius reikalavimus bioplėvelės formavimui ant užpildo paviršių, pabrėžiant proceso derinimo ir reguliavimo svarbą. Stabilią nitrifikaciją MBBR galima pasiekti reguliuojant proceso parametrus ir santykius; žemos temperatūros poveikio kompensavimas griežtesniais apribojimais yra gana tiesioginis ir efektyvus būdas.
3.1 Aeracija
MBBR procesas šiuo metu daugiausia taikomas aerobinėje aplinkoje. Aeracijos greitis ir būdas reaktoriuje tiesiogiai veikia ištirpusio deguonies (DO) kiekį sistemoje ir bioplėvelės formavimosi charakteristikas, taip įtakojant teršalų skilimo lygį. Chen Long ir kt., valydami pramonines nuotekas, veiksmingai išsprendė bioplėvelės formavimo sunkumus, naudodami tokias priemones kaip partijos aeracija, pasiekę 95,5% chlamšto pašalinimo greitį ir 91% amoniakinio azoto pašalinimo greitį. Persson ir kt. naudojo MBBR mišrioms virtuvės atliekų ir juodojo vandens nuotekoms valyti po anaerobinio išankstinio apdorojimo 10 laipsnių temperatūroje, kad būtų pasiekta visiška nitrifikacija per pertraukiamą aeraciją. Bian ir kt. nustatė, kad kontroliuojant pastovų santykį tarp DO ir bendros amoniako azoto koncentracijos, buvo optimizuotas nuotekų poveikis žemoje temperatūroje; kai kontrolinis santykis neviršija 0,17, nitrifikacijos procesas išliko stabilus 6 laipsniais.
3.2 Anglies- ir -azoto santykis (C/N)
Yra akivaizdi konkurencija tarp nitrifikuojančių ir heterotrofinių bakterijų; todėl C/N reguliavimas tampa svarbiu parametru, turinčiu įtakos organinių medžiagų ir azoto skaidymosi pusiausvyrai sistemoje. Chen ir kt. parodė, kad MBBR sistemose, kai C/N buvo nuo 4 iki 15, COD pašalinimo greitis buvo didesnis nei 90%. Kai C / N sumažėjo iki 1, COD pašalinimo greitis žymiai sumažėjo. Sistemos amoniakinio azoto šalinimo efektyvumas iš pradžių padidėjo, o po to sumažėjo mažinant C/N. Chen ir kt. ištyrė C/N poveikį A/O{10}}MBBR reaktoriaus, apvalančio mariculture nuotekas, veikimui.Rezultatai parodė, kad sumažinus C/N yra naudingas pagerinti COD ir amoniakinio azoto šalinimo efektyvumą.
3.3 Hidraulinio sulaikymo laikas
Hidraulinis sulaikymo laikas (HRT) nustato aktyvaus dumblo apkrovą reakcijos sistemoje. Per didelis arba per mažas PHT gali turėti įtakos gydymo efektyvumui ir MBBR sistemų statybos/eksploatavimo išlaidoms. Norint užtikrinti stabilų sistemos veikimą, labai svarbu pasirinkti tinkamą PHT. Van ir kt. taikė MBBR žemės ūkio ne{4}}taškinio šaltinio taršos kontrolei žemoje temperatūroje. Tyrimai parodė, kad esant 5 laipsniams, mažėjant PHT, teršalų šalinimo efektyvumas gerokai sumažėjo, o 8 valandos yra minimali sulaikymo trukmė, užtikrinanti nitratų denitrifikaciją į azoto dujas. Wang Chuanxin ir kt. išvalytos buitinės nuotekos su anoksine/aerobine bioplėvelės sistema, sutelkiant dėmesį į tuo pačiu metu vykstančios nitrifikacijos ir denitrifikacijos MBBR žemoje temperatūroje charakteristikas. Rezultatai parodė, kad sistema gerai prisitaikė prie sezoninių temperatūros kritimų, pratęsdama PHT, stabilizuodama nuotekų ChDS ir amoniako azoto koncentracijas, kad atitiktų standartus. Shitu naudojo naują kempinės užpildą kaip MBBR bioplėvelės nešiklį, kad ištirtų jo vandens valymo poveikį įvairiuose PHT. Rezultatai parodė, kad vandens valymo poveikis buvo geriausias esant PHT 6 val. Zhao Wenbin ir kt. parodė, kad optimalus PHT teršalų pašalinimui iš nuotekų naudojant MBBR sistemas žemos temperatūros sąlygomis buvo 24 val. Han Lei ir kt. ištyrė teršalų pašalinimo greitį, kai PHT buvo sumažintas nuo 15,4 h iki 11,0 h kombinuotame DE oksidacijos griovyje + MBBR procese. Rezultatai parodė, kad sutrumpėjus PHT, teršalų šalinimo efektyvumas palaipsniui mažėjo, tačiau nuotekų kokybė vis tiek gali atitikti tikslinius vandens kokybės reikalavimus, o tai atspindi stiprų MBBR sistemos atsparumą smūgiams.
3.4 Proceso derinimas
Deng Rui ir kt. ištyrė dviejų-pakopų A/O-MBBR procesą, skirtą komunalinių nuotekų valymui. Esant žemai vandens temperatūrai ir mažai įtekančio vandens koncentracijai, šis kombinuotas procesas parodė didelį atsparumą smūgiams ir prisitaikymą prie temperatūros, stabilų veikimą ir patogų veikimą, o tai rodo geras nuotekų valymo galimybes. Luostarinen ir kt. ištyrė MBBR proceso valymo poveikį pieno nuotekoms po anaerobinio išankstinio apdorojimo žemoje temperatūroje. Rezultatai parodė, kad procesas gali pašalinti 40–70 % ChDS, 50–60 % azoto, o Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) ir MBBR derinys gali pašalinti 92 % COD, 99 % BDS ir 65–70 % azoto. Ru Chun ir kt. naudojo modifikuotą Bardenpho-MBBR + magnetinės apkrovos nusodinimo procesą nuotekų valymo įrenginiui atnaujinti. Reguliuojant anglies šaltinio dozavimo taškus ir įdiegus sistemoje kelių -taškų įtekėjimo ir kelių{21}}taškų refliuksą, buvo pasiektas efektyvus iš išorės pridėtų anglies šaltinių panaudojimas, užtikrinant 8,7 laipsnio nitrifikacijos ir denitrifikacijos poveikį, o nuotekų kokybė buvo stabili, geresnė nei išleidimo standartai.
Išvada
Esant žemai -temperatūrai, mikrobų aktyvumas MBBR sistemose mažėja ir yra akivaizdi konkurencija tarp heterotrofinių mikroorganizmų, apdorojančių organines medžiagas, ir autotrofinių mikroorganizmų, apdorojančių amoniakinį azotą. Todėl, atsižvelgiant į žaliavinio vandens teršalų sudėtį ir nuotekų rodiklių reikalavimus, reikėtų visapusiškai apsvarstyti tinkamą C/N. Siekiant užtikrinti nuotekų kokybę, pagrindiniams rodikliams turėtų būti taikomos tokios priemonės kaip žemos temperatūros dominuojančių štamų gerinimas ir aklimatizavimas, tikslinis sodrinimas ir dominuojančių nešiotojų populiacijų gausos didinimas.
Vežėjo tobulinimas yra svarbi priemonė, padedanti pagerinti MBBR sistemų atsparumą žemai{0}}temperatūrai ir pagerinti proceso gedimo efektyvumą. Konkrečios priemonės daugiausia apima magnetinę apkrovą ir vežėjų konstrukcinį apdorojimą. Magnetinė apkrova gali sustiprinti nitrifikuojančių bakterijų prisitvirtinimą žemoje temperatūroje, sustiprinti EPS sekrecijos procesą ir pagerinti bakterijų aktyvumą; optimizuojant nešiklio struktūrą ir paviršiaus savybes, galima pagreitinti teršalų masės perdavimo efektyvumą, pagerinti jų gebėjimą sukietėti ir apsaugoti mikrobų bendruomenes bei išlaikyti stabilesnį sistemos veikimą.
Pats MBBR procesas pasižymi tam tikromis atsparumo žemai -temperatūrai charakteristikomis. Tačiau nuolat gerinant nuotekų valymo įrenginių kokybės standartus, darbo sąlygų reguliavimas ir MBBR proceso derinimas žemos-temperatūros sąlygomis tapo svarbiu tyrimo turiniu siekiant proceso proveržio. Įvairių tipų nuotekoms optimalios darbo sąlygos turėtų būti nustatytos atsižvelgiant į faktines situacijas. Tuo tarpu pagrįsti procesų deriniai gali veiksmingai padidinti MBBR sistemų atsparumą smūgiams, prisitaikyti prie temperatūros ir sistemos stabilumą teršalų atžvilgiu.