Napredek raziskav o delovanju procesa in uporabi MBBR Sistemi pri nizkih temperaturah
Pregled
Proces biofilmskega reaktorja z gibljivo posteljo (MBBR) je trenutno ena izmed široko uporabljenih tehnologij čiščenja odpadne vode z biofilmom. V primerjavi s konvencionalnimi postopki z aktivnim blatom ponuja MBBR prednosti, kot so učinkovita kakovost odplak, močna odpornost na udarne obremenitve in ni potrebe po vračanju blata ali povratnem spiranju. V obdobju nizkih-temperatur pozimi, zlasti v severnih regijah in na jugozahodnih planotah, lahko temperature zraka zlahka padejo pod 5 stopinj, temperatura vode pa pod 15 stopinj. Nizke temperature lahko povzročijo ne-skladnost indikatorjev iztoka, kot so kemična potreba po kisiku (KPK), dušik v amoniaku in skupni dušik v sistemih MBBR. Odstranjevanje dušika iz biofilma vključuje aerobno nitrifikacijo in anoksično denitrifikacijo, temperatura pa je eden ključnih dejavnikov, ki vpliva na te procese. Ko se temperature znižajo, stopnja nitrifikacije bakterij v sistemih z aktivnim blatom postopoma upada, z znatnim zmanjšanjem zmogljivosti nitrifikacije, ko temperature padejo pod 8 stopinj. Ta članek sistematično obravnava delovanje procesov MBBR pri nizkih-temperaturnih pogojih z vidikov, kot so mikrobne skupnosti, tehnologije za izboljšanje nosilcev ter kombinacije in manipulacije procesov, ter zagotavlja reference za nadaljnje raziskave in uporabo.
1. Raziskave mikrobnih skupnosti v nizko-temperaturnih MBBR sistemih
Trenutno je osrednji proces v čistilnih napravah biološko čiščenje.Nizke temperature pozimi (manj kot ali enake 15 stopinj) zavirajo aktivnost nitrifikacijskih bakterij v bioreaktorjih, vplivajo na proces nitrifikacije in omejujejo zmogljivost sistema za odstranjevanje dušika. Nitrifikacijske bakterije so avtotrofne z dolgimi generacijskimi cikli in so občutljive na temperaturne spremembe, z optimalnim rastnim temperaturnim območjem 20–35 stopinj.
1.1 Mikrobna aktivnost
Biofilmi v reaktorjih MBBR rastejo pritrjeni na nosilne površine in podpirajo rast mikroorganizmov z dolgimi generacijskimi cikli, s čimer se poveča vsebnost nitrificirajočih bakterij v sistemu. V primerjavi s postopki z aktivnim blatom kaže MBBR močnejšo nitrifikacijo pri nizkih temperaturah, zaradi česar se pogosto uporablja pri nizko{1}}temperaturnem čiščenju odpadne vode. Nizka temperatura je eden od pomembnih okoljskih dejavnikov, ki vpliva na nitrifikacijsko učinkovitost tega reaktorja. Znižanje temperature vodi do zmanjšane fluidnosti celične membrane in encimske katalize, zmanjšanega transporta materiala in hitrosti presnove, s čimer vpliva na stabilnost sekundarnih struktur nukleinske kisline in zavira replikacijo DNA, transkripcijo mRNA in translacijo. Ko temperature padejo pod zmrzišče citoplazme, se v celicah oblikujejo ledeni kristali, ki povzročijo resne strukturne poškodbe. Študije Qiu Tian et al. pokazal, daaktivnosti oksidacije amoniaka in oksidacije nitritov biofilma MBBR pri 10 stopinjah so bile 55 % oziroma 56 % tistih pri 20 stopinjah.. Zheng Zhijia et al. testirali stopnje nitrifikacije aktivnega blata včistilna naprava za odpadne vode poleti (20 stopinj) in pozimi (8 stopinj), pri čemer je bilo ugotovljeno, da je bila stopnja nitrifikacije amonijevega dušika pri 8 stopinjah 48,5 % stopnje nitrifikacije pri 20 stopinjah. Vpliv nizke temperature na nitrifikacijsko zmogljivost biokemičnih rezervoarjev vključuje dva vidika: prvič, nizka temperatura vpliva na aktivnost skupnosti nitrifikacijskih bakterij, in drugič, dolgotrajne nizke temperature zmanjšajo populacijo nitrifikacijskih bakterij v aktivnem blatu.
1.2 Tekmovanje mikrobne skupnosti
Ker so nitrifikacijske bakterije avtotrofne, druge mikrobne skupnosti pomembno vplivajo na proces nitrifikacije in močno tekmujejo z nitrifikacijskimi bakterijami. Houweling et al. izvedel procesne poskuse MBBR, ki so pokazali, da ima MBBR pri 4 stopinjah določen nitrifikacijski potencial, vendar je prekomerna rast heterotrofnih mikroorganizmov v sistemu do neke mere zmanjšala stopnjo nitrifikacije. Shao Shuhai idr. je pokazalo, da učinek odstranjevanja dušika pri eno-stopenjskem MBBR ni idealen zaradi konkurence med nitrifikacijskimi in heterotrofnimi bakterijami. Han Wenjie idr. preučevali spremembe mikrobne skupnosti in vzorce biološke porazdelitve v čistilni napravi z uporabo hibridnih procesov MBBR v obdobjih nizke-temperature, pri čemer so ugotovili, da je bilo število mikrobnih vrst v suspendiranih nosilnih biofilmih nižje kot v aktivnem blatu iz istega sistema, z neenakomerno porazdelitvijo vrst. Dodatek suspendiranih nosilcev je povečal mikrobno raznolikost v sistemu, medtem ko sta imela vplivni in operativni način določeno selektivnost glede sestave mikrobne skupnosti. Wu Han et al. simulirano čiščenje gospodinjskih odpadnih voda z uporabo treh zaporednih šaržnih MBBR reaktorjev z različnimi vrstami polnil. S postopnim zniževanjem temperatur (25, 20, 15, 10, 6 in 5 stopinj) za gojenje in aklimatizacijo biofilmov za nizko{19}}temperaturno odpadno vodo so ugotovili, da v treh reaktorjih prevladujejo različni mikroorganizmi. Visok{21}}rezultati sekvenciranja pretoka so pokazali, da so pri 5 stopinjah v vseh treh reaktorjih prevladovali mikroorganizmi, ki razgrajujejo organsko snov; en reaktor je uspešno aklimatiziral in obogatil psihrofilne nitrifikacijske bakterije, druga dva pa sta imela večjo številčnost-fiksacijskih bakterij, ki niso bile naklonjene odstranjevanju dušika.
1.3 Privajanje psihofilnih mikroorganizmov
Tehnologija za izboljšanje prilagajanja in obogatitve za-nizkotemperaturne prevladujoče mikrobne skupnostije učinkovita metoda za izboljšanje učinkovitosti delovanja in stabilnosti MBBR pri nizkih-temperaturnih pogojih. S postopno indukcijo in optimiziranim gojenjem se prevladujoče populacije pregledajo in uporabijo, pri čemer se uporabi močna toleranca mikrobnih skupnosti za zmanjšanje vpliva nizkih temperatur, kar ponuja dolgoročen -potencial stabilnosti. Wang Dan et al. je ugotovil, da v razmerah nizke-temperature pozimi dodajanje aktivnega blata, ki vsebuje -združljivosti mikrobov, odpornih na mraz, za doseganje simbiotskega hibridnega bioreaktorja z aktivnim blatom-biofilma ponuja prednosti, kot so hiter zagon, hitro nastajanje biofilma in stabilni učinki zdravljenja. Delatolla idr. odkrili, da je razogljičenje sistema pri 1 stopinji povečalo nitrifikacijsko aktivno biomaso, zgostilo biofilm, učinkovito povečalo število živih celic med delovanjem pri nizki-temperaturi in izboljšalo nitrifikacijsko učinkovitost sistema. Poleg tega so NO, N₂H₄, NH₂OH itd. ključni intermediati, ki spodbujajo proces anaerobne amonijeve oksidacije (anamoks) in blažijo zaviranje bakterij anammoks z NO₂. Zekker et al. so v študiji, v kateri so čistili odpadno vodo z visoko-koncentracijo (koncentracija dušika v amonijaku 740 mg/L) s sistemom MBBR, ugotovili, da je dodajanje NO znatno pospešilo proces anammoksa in da se je število bakterij, ki oksidirajo amoniak-, povečalo sorazmerno med delovanjem sistema.
2. Raziskave tehnologij za izboljšanje nosilca za MBBR pri nizkih temperaturah
Izbira suspendiranih MBBR polnil je ena od osrednjih tehnologij tega postopka za čiščenje odpadne vode in ključni dejavnik, ki vpliva na učinkovitost postopka in stroške inženiringa. Običajno uporabljene vrste polnil vključujejo med drugim polnila v obliki satja, pol-mehka polnila in kompozitna polnila. Praktične aplikacije lahko naletijo na težave, kot so zamašitev polnila, aglomeracija in staranje. Pri nizkih-temperaturnih pogojih je tvorba biofilma na polnilih MBBR počasnejša, kar lahko podaljša obdobja zagona opreme, ovira normalno delovanje procesa, povzroči slabo odpornost proti udarnim obremenitvam in ne doseže pričakovanih učinkov zdravljenja. Industrijsko uporabljeni viseči nosilci MBBR se razlikujejo po velikosti in obliki ter so narejeni iz visokomolekularnih polimerov, kot je polietilen visoke -gostote (HDPE), polietilen (PE) ali polipropilen (PP), z metodami, kot sta ekstrudiranje s taljenjem ali granulacija. Z obsežno-tehnično uporabo tega postopka se je raznolikost komercialnih prevoznikov postopoma povečala. Zasnovo in obdelavo nosilca je mogoče prilagoditi kakovosti vode in značilnostim rasti mikrobov, kar omogoča ciljno optimizacijo in izboljšave za izboljšanje sistemov biofilma MBBR pri nizkih-temperaturnih pogojih. V praktičnih aplikacijah se modifikacije nosilcev osredotočajo predvsem na izboljšanje specifične površine, hidrofilnosti, bio-afinitete, magnetnih lastnosti itd., da se izboljša prenos mase nosilca, tvorba biofilma in učinkovitost čiščenja odpadne vode.
2.1 Magnetna obremenitev
Sedanje raziskave so raziskovale uporabo magnetnih polj za optimizacijo zmogljivosti MBBR za čiščenje odpadne vode pri nizkih temperaturah.Magnetna polja določenih jakosti lahko izboljšajo odstranjevanje onesnaževal v postopkih biološkega čiščenja. Pod šibkimi magnetnimi polji se organska onesnaževala obogatijo na površini magnetnih bioloških nosilcev z magnetno agregacijo in adsorpcijo, ki ji pomagajo magnetne sile, Lorentzove sile in magneto{1}}koloidni učinki. Znotraj ustreznega razpona jakosti lahko magnetna polja izboljšajo mikrobiološko izrabo kisika, povečajo metabolizem rasti mikrobov in aktivnost encimov ter povečajo prepustnost celične membrane. Jing Shuangyi idr. preučevali primerjalne učinke dodajanja magnetnih nosilcev [polietilen, neodim železo-bor magnetni prah (Nd₂Fe₁₄B) in polikvaternij-10 (PQAS-10) itd.] v primerjavi s komercialnimi nosilci v reaktorjih MBBR. Rezultati so pokazali, da so pri nizkih{12}}temperaturnih pogojih magnetni nosilci bistveno izboljšali aktivnost nitrifikacije biofilma, spodbudili izločanje zunajcelične polimerne snovi (EPS) ter ohranili in izboljšali morfologijo in strukturo biofilma. Magnetni nosilci so obogatili več rodov nitrificirajočih bakterij, pri čemer se je relativno število bakterij, ki oksidirajo amoniak, in bakterij, ki oksidirajo nitrit, povečalo za 1,82-krat oziroma 1,05-krat v primerjavi s komercialnimi nosilci, ter aklimatizirali in obogatili dva edinstvena roda nitrifikacijskih bakterij.
2.2 Sprememba nosilca
Poleg magnetne obremenitve je modifikacija afinitete tradicionalnih nosilnih materialov, kot je polietilen, prav tako pomemben način za izboljšanje učinkovitosti tvorbe biofilma polnila. Sun Bo et al. uporabil nova nano suspendirana polnila za obdelavo-nizkotemperaturne gospodinjske odpadne vode. Pri 10–12 stopinjah je bilo obdobje tvorbe biofilma za nano polnila krajše od 18 dni, krajše kot pri drugih polnilih, s sistemsko stopnjo odstranjevanja KPK, ki je bila stabilna pri okoli 75 %, kar kaže na dobro promocijsko vrednost. Ren Yanqiang idr. uporabljena viseča polnila v obliki satja, izdelana iz visoko hidrofilnih polimernih zlitin, za obdelavo odplak iz primarnega sedimentacijskega rezervoarja čistilne naprave pri nizkih-temperaturnih pogojih. Rezultati so pokazali, da so ta suspendirana polnila učinkovito izboljšala sposobnost pritrditve površinsko-aktivnih mikroorganizmov, kar je pomagalo pri izboljšanju učinkov obdelave postopka MBBR. Han Xiaoyun idr. uporabili mehko poliuretansko peno z razvito strukturo por kot imobiliziran nosilec za pritrditev učinkovitih mikrobnih-združb, odpornih na mraz, ločenih od aktivnega blata. Po dodajanju tega polnila v reaktor so se učinki čiščenja onesnaževal bistveno izboljšali, s stopnjo odstranitve KPK 82 % in stopnjo odstranitve biokemične potrebe po kisiku (BPK) 92 % pri nizkih-temperaturnih pogojih. Chen et al. uporabil postopek MBBR z gelnim polnilom iz polivinilalkohola (PVA), inokuliranim z bakterijami HN-AD za obdelavo odpadne vode iz živinoreje in perutnine namesto z aktivnim blatom. Pri različnih razmerjih med ogljikom-in-dušikom (C/N) se je učinkovitost različnih nosilcev znatno razlikovala. Porozna struktura PVA gela je zagotovila zaščito pred bakterijami, zaradi česar je delovanje stabilnejše. Mikrobna analiza je pokazala, da postopek MBBR z nosilci PVA gela daje prednost rasti avtotrofnih bakterij in bakterij HN-AD (Paracoccus in Acinetobacter).
3. Kombinacija postopka in Regulacija MBBR pri nizkih temperaturah
Ta sistem ima edinstvene zahteve za tvorbo biofilma na površinah polnila, kar poudarja pomen kombinacije postopkov in regulacije. Stabilno nitrifikacijo v MBBR je mogoče doseči z regulacijo procesnih parametrov in razmerij; kompenzacija učinkov nizke temperature s strožjimi omejitvami je relativno neposredna in učinkovita metoda.
3.1 Prezračevanje
Postopek MBBR se trenutno uporablja predvsem v aerobnih okoljih. Hitrost prezračevanja in metoda v reaktorju neposredno vplivata na vsebnost raztopljenega kisika (DO) v sistemu in značilnosti tvorbe biofilma, s čimer vplivata na stopnjo razgradnje onesnaževal. Chen Long in drugi so med čiščenjem industrijske odpadne vode učinkovito odpravili težave pri tvorbi biofilma z ukrepi, kot je serijsko prezračevanje, s čimer so dosegli 95,5-odstotno stopnjo odstranitve KPK in 91-odstotno stopnjo odstranitve amonijevega dušika. Persson et al. uporabil MBBR za čiščenje mešane odpadne vode kuhinjskih odpadkov in črne vode po anaerobni predobdelavi pri 10 stopinjah, s čimer je dosegel popolno nitrifikacijo s prekinitvijo prezračevanja. Bian et al. ugotovili, da je nadzor konstantnega razmerja med DO in koncentracijo skupnega dušika v amoniaku optimiziral učinke iztoka pri nizkih temperaturah; ko kontrolno razmerje ni preseglo 0,17, je proces nitrifikacije ostal stabilen pri 6 stopinjah.
3.2 Razmerje med ogljikom in -dušikom (C/N)
Obstaja očitna konkurenca med nitrifikacijskimi in heterotrofnimi bakterijami; zato regulacija C/N postane pomemben parameter, ki vpliva na ravnovesje med organsko snovjo in razgradnjo dušika v sistemu. Chen et al. je pokazalo, da je bila v sistemih MBBR, ko je bil C/N med 4–15, stopnja odstranitve COD nad 90 %. Ko se je C/N zmanjšal na 1, je stopnja odstranitve KPK znatno padla. Učinkovitost odstranjevanja dušika iz amoniaka v sistemu se je najprej povečala in nato zmanjšala z zmanjšanjem C/N. Chen et al. raziskovali vpliv C/N na delovanje reaktorja A/O-MBBR za čiščenje odpadne vode iz marikulture.Rezultati so pokazali, da zmanjšanje C/N je koristno za izboljšanje KPK in učinkovitosti odstranjevanja dušika iz amoniaka.
3.3 Hidravlični zadrževalni čas
Hidravlični zadrževalni čas (HRT) določa obremenitev aktivnega blata v reakcijskem sistemu. Previsok ali prenizek HRT lahko vpliva na učinkovitost zdravljenja in stroške gradnje/operacije sistemov MBBR. Izbira primernega HRT je ključnega pomena za stabilno delovanje sistema. Van et al. uporabil MBBR za kmetijski ne{4}}točkovni nadzor onesnaževanja pri nizkih temperaturah. Raziskave so pokazale, da se je pri 5 stopinjah, ko se HRT zniža, učinkovitost odstranjevanja onesnaževal znatno zmanjšala, pri čemer je 8 ur najmanjši čas zadrževanja za zagotovitev denitrifikacije nitrata v dušikov plin. Wang Chuanxin et al. očiščene gospodinjske odpadne vode z anoksičnim/aerobnim sistemom biofilma, s poudarkom na značilnostih hkratne nitrifikacije in denitrifikacije v MBBR pri nizkih temperaturah. Rezultati so pokazali, da se je sistem dobro prilagodil sezonskim padcem temperature s podaljšanjem HRT, stabilizacijo KPK v iztoku in koncentracij dušika v amonijaku, da bi dosegli standarde. Shitu je uporabil novo gobasto polnilo kot nosilec biofilma MBBR, da bi preučil njegov učinek obdelave vode pri različnih HRT. Rezultati so pokazali, da so bili učinki zdravljenja z vodo najboljši pri HNZ 6 ur. Zhao Wenbin et al. je pokazalo, da je optimalno HRT za odstranjevanje onesnaževal v odpadni vodi s sistemi MBBR pri nizkih-temperaturnih pogojih 24 ur. Han Lei et al. proučevali stopnjo odstranitve onesnaževal, ko je bil HRT zmanjšan s 15,4 h na 11,0 h v kombiniranem procesu DE oksidacijskega jarka + MBBR. Rezultati so pokazali, da se je s skrajšanjem HRT učinkovitost odstranjevanja onesnaževal postopoma zmanjševala, vendar je kakovost odpadne vode lahko še vedno izpolnjevala ciljne zahteve glede kakovosti vode, kar odraža močno odpornost sistema MBBR na udarne obremenitve.
3.4 Kombinacija postopkov
Deng Rui et al. preučevali dvo{1}}stopenjski postopek A/O-MBBR za čiščenje komunalne odpadne vode. V pogojih nizke temperature vode in nizke koncentracije vtoka je ta kombinirani postopek pokazal močno odpornost proti udarnim obremenitvam in temperaturno prilagodljivost, stabilno delovanje in priročno delovanje, kar kaže na dobre možnosti uporabe pri čiščenju odpadne vode. Luostarinen et al. proučevali učinke čiščenja procesa MBBR na odpadno vodo iz mlekarne po anaerobni predobdelavi pri nizkih temperaturah. Rezultati so pokazali, da bi postopek lahko odstranil 40–70 % KPK, 50–60 % dušika, kombinacija upflow anaerobne odeje blata (UASB) in MBBR pa bi lahko odstranila 92 % KPK, 99 % BPK in 65–70 % dušika. Ru Chun et al. za prenovo čistilne naprave uporabil modificiran Bardenpho-MBBR + postopek obarjanja z magnetno obremenitvijo. S prilagoditvijo dozirnih točk vira ogljika in uvedbo več-točkovnega dotoka in več-točkovnega refluksa v sistemu je bila dosežena učinkovita uporaba zunanjih dodanih virov ogljika, kar zagotavlja učinke nitrifikacije in denitrifikacije pri 8,7 stopinje, s stabilno kakovostjo iztoka, ki je boljša od standardov za izpust.
Zaključek
Pri nizkih-temperaturnih pogojih se mikrobna aktivnost v sistemih MBBR zmanjša in obstaja očitna konkurenca med heterotrofnimi mikroorganizmi, ki obdelujejo organske snovi, in avtotrofnimi mikroorganizmi, ki obdelujejo amonijev dušik. Zato je treba na podlagi sestave onesnaževal surove vode in zahtev glede kazalnikov odpadne vode v celoti upoštevati ustrezen C/N. Ukrepe, kot so izboljšanje in aklimatizacija prevladujočih sevov pri nizkih-temperaturah, ciljno obogatitev in povečanje številčnosti prevladujočih populacij na nosilcih, je treba izvajati za ključne kazalnike za zagotavljanje kakovosti odplak.
Izboljšanje nosilca je pomembno sredstvo za izboljšanje tolerance nizkih-temperatur sistemov MBBR in izboljšanje učinkovitosti degradacije procesa. Posebni ukrepi vključujejo predvsem magnetno obremenitev in strukturno obdelavo nosilcev. Magnetna obremenitev lahko poveča pritrditev nitrificirajočih bakterij pri nizkih temperaturah, okrepi proces izločanja EPS in izboljša aktivnost bakterij; optimizacija nosilne strukture in površinskih lastnosti lahko pospeši učinkovitost prenosa mase onesnaževal, izboljša njihovo sposobnost strjevanja in zaščite mikrobnih skupnosti ter ohrani stabilnejšo učinkovitost sistema.
Sam postopek MBBR ima določene-značilnosti odpornosti na nizke temperature. Vendar pa sta z nenehnim izboljševanjem standardov kakovosti odpadnih voda za čistilne naprave prilagoditev delovnih pogojev in kombinacija procesa MBBR pri nizkih-temperaturnih pogojih postala pomembna raziskovalna vsebina za preboj procesa. Za različne vrste odpadnih voda je treba optimalne delovne razmere določiti na podlagi dejanskih razmer. Medtem lahko razumne kombinacije procesov učinkovito povečajo odpornost proti udarnim obremenitvam, temperaturno prilagodljivost in sistemsko stabilnost sistemov MBBR glede na onesnaževala.