Didelio druskingumo{0}}pramoninių nuotekų valymo efektyvumas ir mikrobų prisitaikymas naudojant biologines sistemas

Didelio- druskingumo pramoninės nuotekos yra vienas iš nuolatinių antrinio biologinio valymo iššūkių. Kai druskos koncentracija viršija tai, ką gali toleruoti įprastas aktyvusis dumblas, mikrobų bendruomenės žlunga, nitrifikacija sustoja, o nuotekų kokybė greitai blogėja. Tačiau pramoniniu mastu druskingumo kontrolė dažnai yra ekonomiškai neįgyvendinama -, todėl operatoriams kyla vienas klausimas: ar biologija gali prisitaikyti greičiau nei druska žudo? Šiame tyrime nagrinėjamos ribinės mikrobų išgyvenimo sąlygos ir aklimatizacijos strategijos, dėl kurių biologinis gydymas yra gyvybingas esant ekstremaliam osmosiniam stresui.

1. Įvadas

Didelio- druskingumo nuotekos dažniausiai susidaro įvairiose pramonės šakose, įskaitantchemijos gamyba, jūros gėrybių perdirbimas, odos rauginimas, irtekstilės dažymas. Daugelyje šių operacijų druska yra ne teršalų pėdsakai, o dominuojanti ištirpusi sudedamoji dalis, o bendras ištirpusių kietųjų medžiagų kiekis paprastai viršija 20 g/l ir kartais pasiekia 35 g/l arba didesnę jūros vandens koncentraciją.

Padidėjusi druskų koncentracija veikia biologines nuotekų valymo sistemas per gerai-suprantamą, bet sunkiai-sunkiai sušvelninamą{2}}mechanizmą:osmosinis stresas. Kai tarpląstelinis druskingumas didėja, vanduo migruoja iš mikrobų ląstelių, sukeldamas plazmolizę, medžiagų apykaitos funkcijos praradimą ir galiausiai ląstelių mirtį. Netgi sub-mirtinas druskingumo lygis gali sumažinti fermentinį aktyvumą, pabloginti substrato įsisavinimą ir destabilizuoti tarpląstelinę polimero matricą, kuri kartu laiko floko struktūras.

Įprastos aktyviojo dumblo sistemos yra ypač pažeidžiamos. Esant dideliam-druskos kiekiui,mikrobų įvairovė smarkiai susiaurėja, pašalinant jautrias rūšis ir išlikusi tik dalis halotolerantiškų organizmų. Šis biologinės įvairovės nykimas turi tiesioginių veikimo pasekmių: nitrifikacijos efektyvumas blogėja, nes amoniaką -oksiduojančios bakterijos yra viena iš labiausiai druskai- jautrių funkcinių grupių sistemoje irpablogėja dumblo nusėdimasnes flok{0}}sudarančios bakterijos praranda struktūrinį vientisumą.

Šiame tyrime vertinamas druskingumo poveikis biologiniam nuotekų valymo efektyvumui, atsižvelgiant į druskos koncentracijos gradientą ir tiriamasmikrobų prisitaikymo mechanizmaikurie užtikrina stabilų ilgalaikį{0}} veikimą esant dideliam-druskos kiekiui. Tyrime lyginamas sustabdytas-augimas ir pridedamos-augimo konfigūracijos, siekiant nustatyti, kuri sistemos architektūra pasižymi didžiausiu atsparumu.

2. Medžiagos ir metodai

Eksperimentinė sąranka

Bandomasis{0}}mastasaktyviojo dumblo ir bioplėvelės hibridinė sistemabuvo pastatytas ir eksploatuojamas naudojant sintetines pramonines nuotekas. Druskingumas buvo koreguojamas naudojant NaCl ir sistemingai kinta visame eksperimentiniame diapazonenuo 0 iki 35 g/l(išreikštas kaip NaCl ekvivalentas), apimantis spektrą nuo gėlo vandens sąlygų iki visiško jūros vandens druskingumo.

Veikimo parametrai

Sistema buvo eksploatuojama kontroliuojamomis sąlygomis, skirtomis išskirti druskingumo poveikį nuo kitų kintamųjų. Hidraulinis sulaikymo laikas (HRT) buvo palaikomas tarp6 ir 12 valandų, o dumblo sulaikymo laikas (SRT) buvo pratęstas iki tarp15 ir 30 dienųskatinti mikrobų bendruomenės stabilumą ir leisti įsitvirtinti lėtai{0}}augantiems halotolerantiškiems organizmams. Ištirpęs deguonis buvo pastovus2-4 mg/lužtikrinti, kad aerobinės sąlygos niekada nebuvo ribojantis veiksnys.

Stebėsenos ir analizės metodai

Pagrindiniai veikimo parametrai buvo stebimi visą eksperimentinį laikotarpį, įskaitantCOD šalinimo efektyvumas, amoniako azoto pašalinimas, dumblo tūrio indeksas (SVI), mišriųjų skysčių suspenduotų kietųjų medžiagų (MLSS), irmikrobų bendruomenės įvairovė. Mikrobų prisitaikymas buvo įvertintas taikant kontroliuojamą laipsniško druskingumo didinimo protokolą, periodiškai stebint dumblo morfologijos, floko struktūros ir specifinio metabolinio aktyvumo pokyčius.

3. Tyrimo rezultatai

Našumas pagal druskingumo gradientus

Eksperimentiniai rezultatai atskleidė aiškų ir nuspėjamądozės{0}}atsako santykistarp druskingumo ir gydymo efektyvumo. Sistemoje buvo trys skirtingi veikimo režimai - stabilūs, pereinamieji ir pablogėję -, atitinkantys atitinkamai žemą, vidutinį ir didelį druskingumo diapazoną.

Atmažas druskingumas (mažiau nei 5 g/l), sistemos veikimas išliko tvirtas ir iš esmės nesiskiria nuo ne{0}}fiziologinio veikimo. COD pašalinimas nuolat viršytas90%, nitrifikacija vyko normaliai, o dumblo nusėdimo charakteristikos reikšmingai nenukrypo nuo pradinės linijos.

Atvidutinio druskingumo lygis (10-20 g/l), tapo akivaizdus išmatuojamas mikrobų aktyvumo sumažėjimas. Nitrifikacijos efektyvumas pastebimai sumažėjo, o tai atspindi ypatingą amoniaką{1}}oksiduojančių bakterijų jautrumą osmosiniam stresui. Dumblo augimo greitis sulėtėjo, o SVI vertės pradėjo kilti aukštyn, o tai rodo ankstyvą -foklio struktūros pablogėjimą. Tačiau tyrime pastebėta, kadlaipsniškas aklimatizavimas žymiai pagerino sistemos atsparumąlaikui bėgant - reaktoriai, kurių druskingumas didėjo laipsniškai, gerokai pralenkė tuos, kuriuos veikia smūginė apkrova.

Atdidelis druskingumas (virš 25 g/l), įprastų aktyviojo dumblo sistemų veikimas smarkiai ir kai kuriais atvejais negrįžtamai pablogėjo. Flokulų susidarymas buvo akivaizdžiai prastas, vyravo smeigtukas- ir išsklaidytas augimas. Amoniako pašalinimo efektyvumas smarkiai sumažėjo, o COD pašalinimas nukrito žemiau lygio, kuris yra priimtinas, kad būtų laikomasi išleidimo reikalavimų.

Biofilmas prieš sustabdytą augimą: esminis skirtumas

Vienas reikšmingiausių atradimų buvoryškus bioplėvele{0}}pagrįstų sistemų pranašumasesant druskingam stresui. Pritvirtintos-augimo konfigūracijos parodė daug didesnį atsparumą druskingumo-sukeltam našumui, palyginti su įprastu suspenduotu-auginimo aktyvuotu dumblu. Šis atsparumas priskiriamas dviem tarpusavyje susijusiems mechanizmams: gamybaiapsauginės ekstraląstelinės polimerinės medžiagos (EPS)kurie apsaugo įterptas ląsteles nuo tiesioginio osmosinio šoko irpagerėjo mikrobų sulaikymaskuri neleidžia išplauti lėtai{0}}augančių halotolerantiškų rūšių hidraulinių šuolių metu.

4. Diskusija

Osmosinis stresas kaip pagrindinis slopinimo mechanizmas

Tyrimas tai patvirtinadidelis druskingumas yra pagrindinis slopinantis veiksnysbiologiniame nuotekų valyme, kai osmosinio slėgio įtampa yra dominuojantis mikrobų slopinimo mechanizmas. Kai ekstraląstelinė aplinka tampa hipertoniška, vandens ištekėjimas iš mikrobų ląstelių sutrikdo turgorinį slėgį, pažeidžia membranos vientisumą ir galiausiai žlugdo medžiagų apykaitą. Duomenys rodo, kad šis efektas nėra dvejetainis -, jis veikia palei gradientą -, tačiau riba, kuriai esant našumas tampa nepriimtinas, yra gana ryškus, paprastai nuo 20 iki 25 g/l neaklimatizuotai biomasei.

Mikrobų prisitaikymas per laipsnišką aklimatizaciją

Laipsniškas aklimatizavimas tampa vienintele efektyviausia druskingų nuotekų valymo operacine strategija. Pagrindinė biologija yra paprasta: kai druskingumas laipsniškai didėja, mikrobų bendruomenės patiriakrypties pasirinkimaskurių populiacijoje palaipsniui dominuoja halotolerantiškos rūšys. Šie organizmai taiko dvi pagrindines išgyvenimo strategijas - suderinamų tirpių medžiagų (tokių kaip betainas ir ektoinas) kaupimąsi ląstelėse, kurios subalansuoja išorinį osmosinį slėgį, nepažeidžiant fermentinės funkcijos, irEPS gamybos reguliavimassukurti difuzijos barjerą, kuris sumažintų druskos patekimo į bioplėvelės matricą greitį.

Eksperimentiniai duomenys rodo, kad aklimatizuotos sistemos nuolat pranoksta smūgio{0}}apkrautas sistemas esant lygiaverčiui druskingumo lygiui, o tai patvirtina, kad mikrobų bendruomenės sudėtis - ne tik druskos koncentracija - lemia gydymo rezultatus.

Hibridinės sistemos: geriausių abiejų pasaulių derinys

Hibridinės sistemos, kuriose derinamas pakabinamas ir pritvirtintas augimo pasiūlymaspuikus stabilumassvyruojančiomis druskos sąlygomis. Bioplėvelės komponentas veikia kaip aapsauginis rezervuarasmikrobų įvairovė: kai suspenduotą floką suardo druskingumo šuolis, bioplėvele{0}}įterpta populiacija išgyvena ir gali greitai iš naujo pasėti suspenduotą fazę, kai sąlygos stabilizuosis. Šis funkcinis dubliavimas suteikia eksploatavimo saugos ribą, kuriai neprilygsta tik sustabdytos{2}}augimo sistemos.

Praktinės pasekmės pramonės operatoriams

Kritinė praktinė šio tyrimo įžvalga yra tapramoninių nuotekų valymui dažnai neįmanoma kontroliuoti druskingumo. Druskinimo arba skiedimo strategijos reikalauja didelių kapitalo ir eksploatacinių sąnaudų, kurių apimtys būdingos pramoniniam išleidimui. Todėl biologinis prisitaikymas -, o ne fizikinis ir cheminis išankstinis apdorojimas - turi būti ilgalaikės- gydymo strategijos kertinis akmuo. Tai reiškia, kad pirmenybė turėtų būti teikiama augalų projektavimuipratęstas SRTišlaikyti lėtai{0}}augančius halotolerantiškus organizmus,bioplėvelės laikmenossuteikti apsaugotas nišas irlaipsniško paleidimo protokolaikurie leidžia mikrobų bendruomenėms laiko prisitaikyti prieš įleidžiant{0}}viso stiprumo druskingas nuotekas.

5. Išvada

Didelio{0}}druskumo sąlygosreikšmingai paveikti antrinio nuotekų valymo efektyvumąper dvigubus mechanizmus – osmosinį mikrobų aktyvumo slopinimą ir fizinį dumblo struktūros destabilizavimą. Poveikio sunkumas priklauso nuo koncentracijos, o neaklimatizuotai biomasei nustatyta aiški gedimo riba tarp 20 ir 25 g/l NaCl.

Tyrime nustatytos dvi viena kitą papildančios strategijos, kurios kartu sudaro tvirtą požiūrį į druskingų nuotekų valymą. Pirma,laipsniškas mikrobų aklimatizavimas-, pasiekiamas laipsniškai didinant druskingumą per ilgą veikimo laikotarpį - leidžia atrinkti ir praturtinti halotolerantiškas mikrobų bendruomenes, galinčias palaikyti gydymo funkciją tokiais druskingumo lygiais, kurie kitu atveju būtų slopinami. antra,bioplėvelės{0}}ir hibridinių reaktorių konfigūracijosužtikrinti struktūrinį ir ekologinį atsparumą, kurio trūksta sustabdytoms{0}}augimo sistemoms, visų pirma dėl apsauginio EPS vaidmens ir lėtai augančių specializuotų organizmų išsaugojimo.

Pramonės operatoriams, susiduriantiems su didelio{0} druskingumo nuotekų srautais, kur gėlinimas ekonomiškai nepraktiškas, kelias į priekį yra aiškus: investuoti į bioplėvelės nešiklio integravimą, išplėsti SRT, kad būtų palaikoma halotolerantiškos bendruomenės plėtra, ir įgyvendinti aklimatizacijos protokolus, suteikiančius biologijai laiko prisitaikyti. Mikrobų bendruomenė, esant tinkamoms sąlygoms, gali išspręsti problemą, kurios fizinis ir cheminis apdorojimas negali sau leisti.