Pokrok vo výskume prevádzky procesu a aplikácie MBBR Systémy pri nízkych teplotách
Prehľad
Proces biofilmového reaktora s pohyblivým lôžkom (MBBR) je v súčasnosti jednou z najpoužívanejších technológií na čistenie odpadových vôd s biofilmom. V porovnaní s konvenčnými procesmi s aktivovaným kalom ponúka MBBR výhody, ako je efektívna kvalita odpadovej vody, silná odolnosť voči nárazovému zaťaženiu a žiadne požiadavky na spätný tok kalu alebo spätné premývanie. Počas obdobia nízkych-teplôt v zime, najmä v severných oblastiach a na juhozápadných náhorných plošinách, môže teplota vzduchu ľahko klesnúť pod 5 stupňov a teplota vody môže klesnúť pod 15 stupňov . Nízke teploty môžu viesť k-nesúladu ukazovateľov odpadových vôd, ako je chemická spotreba kyslíka (CHSK), amoniakálny dusík a celkový dusík v systémoch MBBR. Odstránenie biofilmového dusíka zahŕňa aeróbnu nitrifikáciu a anoxickú denitrifikáciu a teplota je jedným z kľúčových faktorov ovplyvňujúcich tieto procesy. S klesajúcimi teplotami rýchlosť nitrifikácie baktérií v systémoch s aktivovaným kalom postupne klesá, s výrazným znížením nitrifikačnej kapacity, keď teploty klesnú pod 8 stupňov. Tento článok systematicky rozpracúva fungovanie procesov MBBR pri nízkych{11}}teplotných podmienkach z aspektov, ako sú mikrobiálne spoločenstvá, technológie na vylepšenie nosičov a kombinácie a manipulácia procesov, pričom poskytuje referencie pre ďalší výskum a aplikáciu.
1. Výskum mikrobiálnych komunít v nízkoteplotných systémoch MBBR
V súčasnosti je hlavným procesom v čistiarňach odpadových vôd biologické čistenie.Nízke teploty v zime (menej alebo rovné 15 stupňov) inhibujú aktivitu nitrifikačných baktérií v bioreaktoroch, čo ovplyvňuje proces nitrifikácie a obmedzuje kapacitu systému odstraňovať dusík. Nitrifikačné baktérie sú autotrofné s dlhými generačnými cyklami a sú citlivé na zmeny teploty s optimálnym teplotným rozsahom rastu 20–35 stupňov.
1.1 Mikrobiálna aktivita
Biofilmy v reaktoroch MBBR rastú pripojené k povrchom nosičov, čím podporujú rast mikroorganizmov s dlhými generačnými cyklami, čím sa zvyšuje obsah nitrifikačných baktérií v systéme. V porovnaní s procesmi s aktivovaným kalom vykazuje MBBR vyššiu účinnosť nitrifikácie pri nízkych teplotách, vďaka čomu sa široko používa pri nízkoteplotnom čistení odpadových vôd. Nízka teplota je jedným z dôležitých environmentálnych faktorov ovplyvňujúcich výkon nitrifikácie tohto reaktora. Zníženie teploty vedie k zníženiu tekutosti bunkovej membrány a enzýmovej katalýze, zníženiu transportu materiálu a rýchlosti metabolizmu, čím ovplyvňuje stabilitu sekundárnych štruktúr nukleových kyselín a inhibuje replikáciu DNA, transkripciu a transláciu mRNA. Keď teploty klesnú pod cytoplazmatický bod mrazu, v bunkách sa tvoria ľadové kryštály, ktoré spôsobujú vážne štrukturálne poškodenie. Štúdie Qiu Tiana a kol. to ukázalaktivity oxidácie amoniaku a oxidácie dusitanov biofilmu MBBR pri 10 stupňoch boli 55 % a 56 % aktivít pri 20 stupňoch.. Zheng Zhijia a kol. testovali rýchlosti nitrifikácie aktivovaného kalu včistiareň odpadových vôd v lete (20 stupňov) a v zime (8 stupňov), pričom sa zistilo, že rýchlosť nitrifikácie amoniakálneho dusíka pri 8 stupňoch bola 48,5 % oproti 20 stupňom. Vplyv nízkej teploty na nitrifikačnú kapacitu biochemických nádrží zahŕňa dva aspekty: po prvé nízka teplota ovplyvňuje aktivitu spoločenstiev nitrifikačných baktérií a po druhé, dlhotrvajúce nízke teploty znižujú populáciu nitrifikačných baktérií v aktivovanom kale.
1.2 Konkurencia v mikrobiálnej komunite
Keďže nitrifikačné baktérie sú autotrofné, iné mikrobiálne spoločenstvá významne ovplyvňujú proces nitrifikácie a silne konkurujú nitrifikačným baktériám. Houweling a kol. vykonali procesné experimenty MBBR, ktoré ukázali, že pri 4 stupňoch má MBBR určitý nitrifikačný potenciál, ale nadmerný rast heterotrofných mikroorganizmov v systéme do určitej miery znížil rýchlosť nitrifikácie. Shao Shuhai a kol. naznačili, že účinok odstraňovania dusíka jednostupňovým MBBR{5}}nie je ideálny kvôli konkurencii medzi nitrifikačnými a heterotrofnými baktériami. Han Wenjie a kol. študovali zmeny v mikrobiálnej komunite a modely biologickej distribúcie v čistiarni odpadových vôd pomocou hybridných procesov MBBR počas nízkych-teplotných období, pričom zistili, že počet mikrobiálnych druhov v suspendovaných nosičových biofilmoch bol nižší ako počet v aktivovanom kalu z rovnakého systému s nerovnomernou distribúciou druhov. Pridanie suspendovaných nosičov zvýšilo mikrobiálnu diverzitu v systéme, zatiaľ čo prítokové a prevádzkové režimy mali určitú selektivitu na zloženie mikrobiálnej komunity. Wu Han a kol. simulované čistenie odpadových vôd z domácností pomocou troch sekvenčných vsádzkových reaktorov MBBR s rôznymi typmi plnív. Postupným znižovaním teplôt (25, 20, 15, 10, 6 a 5 stupňov) na kultiváciu a aklimatizáciu biofilmov pre nízkoteplotnú odpadovú vodu zistili, že v troch reaktoroch dominujú rôzne mikroorganizmy. Výsledky vysokovýkonného sekvenovania ukázali, že pri 5 stupňoch prevládali vo všetkých troch reaktoroch mikroorganizmy degradujúce organickú hmotu; jeden reaktor úspešne aklimatizoval a obohatil psychrofilné nitrifikačné baktérie, zatiaľ čo ďalšie dva mali vyššie množstvo baktérií viažucich dusík-nepriaznivé na odstraňovanie dusíka.
1.3 Aklimatizácia psychrofilných mikroorganizmov
Technológia vylepšenia aklimatizácie a obohatenia pre mikrobiálne spoločenstvá dominantné pri nízkych{0}}teplotáchje efektívna metóda na zlepšenie prevádzkovej efektívnosti a stability MBBR pri nízkych-teplotách. Prostredníctvom progresívnej indukcie a optimalizovanej kultivácie sa skrínujú a aplikujú dominantné populácie, pričom sa využíva silná tolerancia mikrobiálnych spoločenstiev na zníženie vplyvu nízkych teplôt, čím sa ponúka potenciál dlhodobej-stability. Wang Dan a kol. zistili, že v zimných-teplotných podmienkach pridanie aktivovaného kalu obsahujúceho studené-mikrobiálne spoločenstvá tolerantné na dosiahnutie biofilmového symbiotického hybridného bioreaktora s aktivovaným kalom-ponúkalo výhody, ako je rýchle spustenie, rýchla tvorba biofilmu a stabilné liečebné účinky. Delatolla a kol. zistili, že dekarbonizácia systému pri 1 stupni zvýšila nitrifikačnú aktívnu biomasu, zahustila biofilm, účinne zvýšila počet životaschopných buniek počas prevádzky pri nízkej teplote a zlepšila výkon systému nitrifikácie. Okrem toho sú NO, N2H4, NH2OH atď. kľúčovými medziproduktmi, ktoré stimulujú proces anaeróbnej oxidácie amónia (anammox) a zmierňujú inhibíciu baktérií anammox NO₂. Zekker et al. v štúdii upravujúcej vysoko koncentrovanú odpadovú vodu (koncentrácia amoniakálneho dusíka 740 mg/l) systémom MBBR zistili, že pridanie NO výrazne urýchlilo proces anammoxu a množstvo baktérií oxidujúcich čpavok sa úmerne zvýšilo počas prevádzky systému.
2. Výskum technológií na vylepšenie nosiča pre MBBR pri nízkych teplotách
Výber suspendovaných plnív MBBR je jednou z kľúčových technológií tohto procesu na čistenie odpadových vôd a kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim efektivitu procesu a náklady na inžinierstvo. Medzi bežne používané typy výplní patria okrem iného plástové výplne, polo{1}}mäkké výplne a kompozitné výplne. Praktické aplikácie môžu naraziť na problémy, ako je upchávanie plniva, aglomerácia a starnutie. Za nízkych-teplotných podmienok je tvorba biofilmu na plnivách MBBR pomalšia, čo potenciálne predlžuje obdobia spustenia zariadenia, bráni normálnej prevádzke procesu, čo má za následok slabú odolnosť voči nárazovému zaťaženiu a nedosahuje očakávané účinky liečby. Priemyselne používané suspendované nosiče MBBR sa líšia veľkosťou a tvarom a sú vyrobené z vysokomolekulárnych polymérov, ako je polyetylén s vysokou -hustotou (HDPE), polyetylén (PE) alebo polypropylén (PP) pomocou metód, ako je extrúzia taveniny alebo granulácia. Vďaka rozsiahlej{8}}inžinierskej aplikácii tohto procesu sa množstvo komerčných operátorov postupne zväčšovalo. Dizajn a spracovanie nosiča je možné prispôsobiť kvalite vody a charakteristikám mikrobiálneho rastu, čo umožňuje cielenú optimalizáciu a zlepšenie na zlepšenie systémov biofilmu MBBR v podmienkach nízkej{10}}teploty. V praktických aplikáciách sa modifikácie nosičov primárne zameriavajú na zlepšenie špecifického povrchu, hydrofilnosti, bio{12}}afinity, magnetických vlastností atď., aby sa zlepšil prenos hmoty nosiča, tvorba biofilmu a účinnosť čistenia odpadových vôd.
2.1 Magnetické zaťaženie
Súčasný výskum skúmal použitie magnetických polí na optimalizáciu kapacity čistenia odpadových vôd MBBR pri nízkych teplotách.Magnetické polia určitej sily môžu zlepšiť odstraňovanie znečisťujúcich látok v procesoch biologického čistenia. V slabých magnetických poliach sa organické znečisťujúce látky obohacujú na povrchu magnetických biologických nosičov prostredníctvom magnetickej agregácie a adsorpcie, za pomoci magnetických síl, Lorentzových síl a magneto-koloidných efektov. V rámci vhodného rozsahu intenzity môžu magnetické polia zlepšiť využitie mikrobiálneho kyslíka, zvýšiť metabolizmus mikrobiálneho rastu a aktivitu enzýmov a zvýšiť priepustnosť bunkovej membrány. Jing Shuangyi a kol. študovali porovnávacie účinky pridávania magnetických nosičov [polyetylén, magnetický prášok neodým a železo bór (Nd2Fe₁4B) a polyquaternium-10 (PQAS-10) atď.] oproti komerčným nosičom v reaktoroch MBBR. Výsledky ukázali, že pri nízkych{12}}teplotách magnetické nosiče výrazne zlepšili aktivitu nitrifikácie biofilmu, podporili sekréciu extracelulárnej polymérnej látky (EPS) a zachovali a zlepšili morfológiu a štruktúru biofilmu. Magnetické nosiče obohatili viac rodov nitrifikačných baktérií, pričom relatívne množstvo baktérií oxidujúcich čpavok a baktérií oxidujúcich dusitany sa zvýšilo 1,82-krát a 1,05-krát, v porovnaní s komerčnými nosičmi, a aklimatizovali a obohatili dva jedinečné rody nitrifikačných baktérií.
2.2 Úprava nosiča
Okrem magnetického zaťaženia je afinitná modifikácia tradičných nosných materiálov, ako je polyetylén, tiež dôležitým spôsobom, ako zvýšiť výkonnosť tvorby biofilmu plniva. Sun Bo a kol. použila nové nano suspendované plnivá na čistenie nízkoteplotných domových odpadových vôd-. Pri 10–12 stupňoch bola doba tvorby biofilmu pre nano plnivá kratšia ako 18 dní, kratšia ako u iných plnív, s rýchlosťou odstraňovania CHSK stabilnou okolo 75 %, čo demonštruje dobrú propagačnú hodnotu. Ren Yanqiang a kol. používali voštinové závesné plnivá vyrobené z vysoko hydrofilných materiálov z polymérnych zliatin na čistenie odpadových vôd z primárnej sedimentačnej nádrže čistiarne odpadových vôd pri nízkych{10}}teplotách. Výsledky ukázali, že tieto suspendované plnivá účinne zlepšili priľnavosť povrchovo aktívnych mikroorganizmov, čím napomáhali zosilneniu liečebných účinkov procesu MBBR. Han Xiaoyun a kol. použili mäkkú polyuretánovú penu s rozvinutou štruktúrou pórov ako imobilizovaný nosič na fixáciu účinných mikrobiálnych spoločenstiev tolerantných voči chladu, ktoré sú oddelené od aktivovaného kalu. Po pridaní tohto plniva do reaktora sa výrazne zlepšili účinky čistenia znečisťujúcich látok, pričom miera odstraňovania CHSK bola 82 % a miera odstraňovania biochemickej spotreby kyslíka (BSK) 92 % pri nízkych-teplotách. Chen a kol. použil proces MBBR s polyvinylalkoholovým (PVA) gélovým plnivom naočkovaným baktériami HN-AD na čistenie odpadových vôd z chovu dobytka a hydiny namiesto aktivovaného kalu. Pri rôznych pomeroch uhlíka-k-dusíku (C/N) sa výkonnosť rôznych nosičov výrazne líšila. Pórovitá štruktúra PVA gélu poskytovala ochranu baktériám, výsledkom čoho bol stabilnejší výkon. Mikrobiálna analýza ukázala, že proces MBBR s PVA gélovými nosičmi podporoval rast autotrofných baktérií a HN-AD baktérií (Paracoccus a Acinetobacter).
3. Kombinácia procesov a Regulácia MBBR pri nízkych teplotách
Tento systém má jedinečné požiadavky na tvorbu biofilmu na povrchoch plniva, čo zdôrazňuje dôležitosť kombinácie procesov a regulácie. Stabilnú nitrifikáciu v MBBR je možné dosiahnuť reguláciou parametrov a pomerov procesu; kompenzácia účinkov nízkej teploty prostredníctvom prísnejších obmedzení je pomerne priama a účinná metóda.
3.1 Prevzdušňovanie
Proces MBBR sa v súčasnosti používa hlavne v aeróbnom prostredí. Rýchlosť a spôsob prevzdušňovania v reaktore priamo ovplyvňujú obsah rozpusteného kyslíka (DO) v systéme a charakteristiky tvorby biofilmu, čím ovplyvňujú úroveň degradácie znečisťujúcich látok. Chen Long a kol., počas čistenia priemyselných odpadových vôd, účinne riešili problémy s tvorbou biofilmu pomocou opatrení, ako je dávkové prevzdušňovanie, čím sa dosiahla miera odstraňovania CHSK 95,5 % a miera odstraňovania amoniakálneho dusíka 91 %. Persson a kol. používa MBBR na čistenie zmiešaných odpadových vôd z kuchynského odpadu a čiernej vody po anaeróbnej predúprave pri 10 stupňoch, čím sa dosiahla úplná nitrifikácia prostredníctvom prerušovaného prevzdušňovania. Bian a kol. zistili, že kontrola konštantného pomeru medzi DO a celkovou koncentráciou amoniakálneho dusíka optimalizovala efekty odpadových vôd pri nízkych teplotách; keď kontrolný pomer nepresiahol 0,17, proces nitrifikácie zostal stabilný pri 6 stupňoch .
3.2 Pomer uhlíka-k{2}}dusíku (C/N)
Existuje zjavná konkurencia medzi nitrifikačnými a heterotrofnými baktériami; preto sa regulácia C/N stáva dôležitým parametrom ovplyvňujúcim rovnováhu medzi organickou hmotou a degradáciou dusíka v systéme. Chen a kol. ukázali, že v systémoch MBBR, keď bol C/N medzi 4–15, miera odstraňovania CHSK bola nad 90 %. Keď sa C/N znížilo na 1, rýchlosť odstraňovania CHSK výrazne klesla. Účinnosť systému odstraňovania amoniakálneho dusíka sa najprv zvýšila a potom znížila so znížením C/N. Chen a kol. skúmali vplyv C/N na výkon A/O-MBBR reaktora na čistenie odpadových vôd z morských živočíchov.Výsledky ukázali, že zníženie C/N je prospešné pre zlepšenie účinnosti odstraňovania CHSK a amoniakálneho dusíka.
3.3 Doba zdržania hydrauliky
Hydraulic Retention Time (HRT) určuje zaťaženie aktívneho kalu v rámci reakčného systému. Príliš vysoká alebo príliš nízka HRT môže ovplyvniť účinnosť liečby a konštrukčné/prevádzkové náklady systémov MBBR. Výber primeranej HRT je rozhodujúci pre stabilnú prevádzku systému. Van a kol. aplikoval MBBR na poľnohospodárske bez{4}}kontroly znečistenia z bodových zdrojov pri nízkych teplotách. Výskum ukázal, že pri 5 stupňoch, keď sa HRT znížila, účinnosť odstraňovania znečisťujúcich látok výrazne klesla, pričom 8 hodín je minimálny retenčný čas na zabezpečenie denitrifikácie dusičnanov na plynný dusík. Wang Chuanxin a kol. čistená odpadová voda z domácností s anoxicko/aeróbnym biofilmovým systémom so zameraním na charakteristiky simultánnej nitrifikácie a denitrifikácie v MBBR pri nízkych teplotách. Výsledky ukázali, že systém sa dobre prispôsobil sezónnym poklesom teplôt rozšírením HRT, stabilizáciou koncentrácií COD a amoniakálneho dusíka v odpadovej vode tak, aby spĺňali normy. Shitu použil nové špongiové plnivo ako nosič biofilmu MBBR na štúdium jeho účinku na úpravu vody pri rôznych HRT. Výsledky ukázali, že účinky úpravy vody boli najlepšie pri HRT 6 hodín. Zhao Wenbin a kol. ukázali, že optimálna HRT na odstraňovanie znečisťujúcich látok v odpadových vodách systémami MBBR pri nízkych-teplotách je 24 hodín. Han Lei a kol. študovali rýchlosť odstraňovania znečisťujúcich látok, keď sa HRT znížila z 15,4 h na 11,0 h v kombinovanom procese DE oxidačnej priekopy + MBBR. Výsledky ukázali, že keď sa HRT skracovala, účinnosť odstraňovania znečisťujúcich látok sa postupne znižovala, ale kvalita odpadových vôd mohla stále spĺňať cieľové požiadavky na kvalitu vody, čo odráža silnú odolnosť systému MBBR voči nárazovému zaťaženiu.
3.4 Kombinácia procesov
Deng Rui a kol. študovali dvojfázový-proces A/O-MBBR na čistenie komunálnych odpadových vôd. V podmienkach nízkej teploty vody a nízkej koncentrácie prítoku tento kombinovaný proces preukázal silnú odolnosť proti nárazovému zaťaženiu a teplotnú adaptabilitu, stabilnú prevádzku a pohodlnú prevádzku, čo ukazuje dobré vyhliadky na použitie pri čistení odpadových vôd. Luostarinen a kol. študovali účinky procesu MBBR na mliečne odpadové vody po anaeróbnej predúprave pri nízkych teplotách. Výsledky ukázali, že proces mohol odstrániť 40 % – 70 % CHSK, 50 % – 60 % dusíka a kombinácia Upflow Anaerob Sludge Blanket (UASB) a MBBR mohla odstrániť 92 % CHSK, 99 % BSK a 65 % – 70 % dusíka. Ru Chun a kol. použil upravený proces zrážania Bardenpho-MBBR + magnetické zaťaženie na renováciu čistiarne odpadových vôd. Úpravou bodov dávkovania zdroja uhlíka a implementáciou viacbodového prítoku a viacbodového spätného toku do systému sa dosiahlo efektívne využitie externe pridaných zdrojov uhlíka, čím sa zabezpečili účinky nitrifikácie a denitrifikácie pri 8,7 stupňoch, pričom stabilná kvalita výtoku je lepšia ako štandardy vypúšťania.
Záver
V podmienkach nízkej{0}}teploty sa mikrobiálna aktivita v systémoch MBBR znižuje a medzi heterotrofnými mikroorganizmami zaobchádzajúcimi s organickou hmotou a autotrofnými mikroorganizmami, ktoré spracovávajú amoniakálny dusík, existuje zjavná konkurencia. Na základe zloženia znečisťujúcich látok v surovej vode a požiadaviek na indikátory odpadových vôd by sa preto malo plne zvážiť vhodné C/N. Pre kľúčové ukazovatele by sa mali zaviesť opatrenia, ako je zlepšenie a aklimatizácia dominantných kmeňov pri nízkych-teplotách, cielené obohacovanie a zvyšovanie počtu dominantných populácií na nosičoch, aby sa zabezpečila kvalita odpadovej vody.
Vylepšenie nosiča je dôležitým prostriedkom na zlepšenie tolerancie nízkych{0} teplôt systémov MBBR a zvýšenie účinnosti degradácie procesov. Medzi špecifické opatrenia patrí najmä magnetické zaťaženie a štrukturálna úprava nosičov. Magnetické zaťaženie môže zvýšiť uchytenie nitrifikačných baktérií pri nízkych teplotách, posilniť proces sekrécie EPS a zlepšiť bakteriálnu aktivitu; Optimalizácia štruktúry nosiča a vlastností povrchu môže urýchliť účinnosť prenosu hmoty znečisťujúcich látok, zlepšiť ich schopnosť tuhnúť a chrániť mikrobiálne spoločenstvá a udržiavať stabilnejší výkon systému.
Samotný proces MBBR má určité charakteristiky odolnosti voči nízkym{0}}teplotám. Avšak s neustále sa zlepšujúcimi štandardmi kvality odpadových vôd pre čistiarne odpadových vôd sa úprava pracovných podmienok a kombinácia procesov MBBR pri nízkych-teplotách stali dôležitým obsahom výskumu pre prelomový proces. Pre rôzne typy odpadových vôd by sa optimálne podmienky pracovných podmienok mali určiť na základe skutočných situácií. Medzitým môžu rozumné kombinácie procesov účinne zvýšiť odolnosť proti nárazovému zaťaženiu, teplotnú adaptabilitu a systémovú stabilitu systémov MBBR voči znečisťujúcim látkam.