Ako skúsený predajca v odvetví úpravy vody som nadšený, že sa môžem podeliť o informácie o technológii Biofilm Reaktor Biofilm (MBBR), vysoko efektívna metóda čistenia odpadových vôd, známa pre svoj objem s nízkym kalom a jednoduchú prevádzku. V tomto článku sa ponoríme do toho, prečo sa biofilm niekedy nevytvára na médiách MBBR, berúc do úvahy rôzne aspekty, ako je napríklad pracovný princíp systému a faktory ovplyvňujúce tvorbu biofilmu.
Princíp procesu MBBR
Médium MBBR umožňuje mikroorganizmom pripevniť sa na povrch nosiča a tvoriť biofilm. Keď odpadová voda preteká cez povrch nosiča, organická hmota a rozpustený kyslík vo vode difúzne do biofilmu. Mikroorganizmy v rámci biofilmu metabolizujú a asimilujú organickú hmotu v prítomnosti kyslíka. Výrobky rozkladu potom rozptyľujú späť do vodnej fázy a vzduch, čím sa účinne degradujú organické znečisťujúce látky v odpadovej vode.
Podľa Characklis, Liu a ďalších, tvorba mikrobiálneho filmu zvyčajne prechádza štyrmi fázami: modifikácia povrchu nosiča, reverzibilné pripojenie, nezvratné pripojenie a tvorba biofilmu. Tento proces možno rozdeliť do dvoch hlavných štádií: mikrobiálna adsorpcia a rast sekvestrácie.
Faktory ovplyvňujúce tvorbu biofilmu v MBBR
1. Vlastnosti povrchu nosiča
Povrchový náboj, drsnosť, veľkosť častíc a koncentrácia nosiča MBBR priamo ovplyvňujú pripevnenie a tvorbu biofilmu. Mikroorganizmy majú zvyčajne negatívny náboj na svojom povrchu za normálnych podmienok rastu. Hrubý povrch nosiča uľahčuje bakteriálne pripojenie a imobilizáciu.
♦ Väčšia plocha povrchu nosiča zvyšuje efektívnu kontaktnú plochu medzi baktériami a nosičom v porovnaní s hladkým povrchom.
♦ Hrubé časti povrchu nosiča, ako sú otvory a praskliny, pôsobia ako štít na ochranu adherovaných baktérií pred hydraulickými šmykovými silami.
Menšie nosiče veľkosti častíc s väčšou pravdepodobnosťou generujú biofilmy v dôsledku ich nízkeho vzájomného trenia a veľkej špecifickej plochy povrchu. Koncentrácia nosiča je tiež rozhodujúca pre tvorbu biofilmu. Wagner zistil, že pri veľmi nízkych koncentráciách hmotnosti nosiča, dokonca ani s hrubým biofilmom, nebolo možné dosiahnuť stabilnú rýchlosť odstraňovania pri ošetrení refraktérnej odpadovej vody. Avšak pri koncentrácii nosiča 20-30 g/l by reaktor mohol dosiahnuť stabilnú rýchlosť odstraňovania, a to iba 20% nosičov s tenkým biofilmom.
2. Suspendovaná mikrobiálna koncentrácia
Všeobecne platí, že so zvyšovaním koncentrácie suspendovaných mikroorganizmov sa zvyšuje aj šanca na kontakt medzi mikroorganizmami a nosičom. Počas mikrobiálneho pripojenia existuje kritická koncentrácia suspendovaných mikroorganizmov. Pred touto kritickou hodnotou je regulačným krokom mikrobiálny transport a difúzia z kvapalnej fázy na povrch nosiča. Po prekročení tejto hodnoty sú mikrobiálne pripojenie a imobilizácia na povrchu nosiča obmedzené účinnou povrchovou plochou nosiča a už nie sú závislé od koncentrácie suspendovaných mikroorganizmov.
3.Aaktivita suspendovaných mikroorganizmov
Mikrobiálna aktivita, opísaná špecifickou rýchlosťou rastu (μ), je rozhodujúca pri štúdiu počiatočných štádií tvorby biofilmu. Množstvo a počiatočná miera pripevnenia a fixácia nitrifikačných baktérií na povrchu nosiča sú úmerné aktivite suspendovaných nitrifikačných baktérií.
♦ Keď je biologická aktivita suspendovaných mikroorganizmov vysoká, ich schopnosť vylučovať extracelulárne polyméry je tiež vyššia.
♦ Energetická úroveň, pri ktorej žijú mikroorganizmy, priamo súvisí s ich rýchlosťou rastu.
♦ Povrchová štruktúra mikroorganizmov sa líši v závislosti od ich aktivity.
♦ Hrajú tiež faktory, ako je čas mikrobiálny kontakt s nosičom, čas hydraulického retenčného času (HRT), pH kvapalnej fázy a hydrodynamická šmyková sila.
Ovplyvňujúce faktory počas procesu tvorby biofilmu MBBR
1. Vykonanie procesu tvorby biofilmu
Tieto sily priamo prispievajú k interakcii medzi mikroorganizmami a povrchom nosiča a zohrávajú kľúčovú úlohu v celom procese tvorby biofilmu.
2. Účinok hydrofilnosti povrchu nosiča
Povrch nosiča GPUC obsahuje hydrofilné skupiny, ako sú skupiny -OH a amidové skupiny. Väčšina mikroorganizmov má dobrú hydrofilnosť a povrch povrchu nosiča a mikroorganizmus môžu tvoriť vodíkové väzobné štruktúry. Voľná energia povrchu hydrofilného nosiča je nižšia ako energia hydrofóbnej, čo uľahčuje mikroorganizmami vo vode priblíženie sa a adsorbovať na povrch hydrofilného nosiča pre rast.
3. Účinok teploty pri tvorbe biofilmu
Vhodný teplotný rozsah pre aeróbne mikroorganizmy je 10 ~ 35 stupňov. Teplota vody významne ovplyvňuje rast nitrifikačných baktérií a rýchlosť nitrifikácie. Optimálna rastová teplota pre väčšinu nitrifikačných baktérií je 25 ~ 30 stupňov. Ak je teplota pod 25 stupňov alebo viac ako 30 stupňov, rast nitrifikačných baktérií sa spomaľuje a pod 10 stupňov sa ich rast a nitrifikácia významne spomaľuje.
Testy uskutočňované pri 10 stupňoch, 20 stupňov a 35 stupňoch ukázali, že pri 10 stupňoch sa tvorba biofilmu začala pomaly, s viditeľným pripevnením biofilmu po 7 dňoch a dozrievaním po 21 dňoch, s maximálnou pripojenou biomasou 2,1 g/l. Pri 35 stupňoch sa biofilm začal tvoriť po 4 dňoch a dozrel po asi 19 dňoch, s maximálnym pripojeným biofilmovým množstvom 3,5 g/l. Pri 20 stupňoch sa biofilm začal tvoriť po 2 dňoch a dosiahol maximálne pripojené množstvo biofilmu 5,7 g/l po asi 10 dňoch. Je zrejmé, že teplota má významný vplyv na tvorbu biofilmu, s rýchlejšou iniciáciou medzi stupňom 15-30.
Teplota je kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim biologickú aktivitu a metabolickú kapacitu, čo ovplyvňuje proces nitrifikačnej reakcie najmä prostredníctvom rastu a biologickej aktivity nitrifikačných baktérií. Ovplyvňuje rýchlosť biochemickej reakcie a rýchlosť prenosu kyslíka.
4. Účinok povrchovej plochy špecifickej pre nosiče a drsnosť povrchu pri výkone adhézie biofilmu
Veľká špecifická plocha povrchu a drsnosť zvyšujú schopnosť nosiča zachytiť mikroorganizmy. Nosiče s vysokou drsnosťou povrchu majú silnejšiu schopnosť redistribuovať prietok vody, znižovať šmykovú silu na biofilme a poskytnúť priaznivé prostredie pre miešanie a kontakt medzi mikroorganizmami a substrátom. Hrubý povrch má hrubšiu laminárnu hraničnú vrstvu ako hladký povrch, ktorý ponúka dobré statické hydrodynamické prostredie a vyhýba sa nepriaznivým účinkom strihu toku vody na rast pripojených mikroorganizmov.