Progresul cercetării privind operarea proceselor și aplicarea MBBR Sisteme la temperaturi scăzute
Prezentare generală
Procesul Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) este una dintre tehnologiile de tratare a apelor reziduale cu biofilm utilizate pe scară largă în prezent. În comparație cu procesele convenționale cu nămol activ, MBBR oferă avantaje precum calitatea eficientă a efluentului, rezistență puternică la sarcinile de șoc și nicio cerință pentru returnarea nămolului sau spălarea în contra. În timpul-perioadei de temperatură scăzută din timpul iernii, în special în regiunile nordice și platourile de sud-vest, temperatura aerului poate scădea cu ușurință sub 5 grade , iar temperatura apei poate scădea sub 15 grade . Temperaturile scăzute pot duce la ne-conformitatea indicatorilor de efluent, cum ar fi cererea chimică de oxigen (COD), azotul amoniac și azotul total în sistemele MBBR. Eliminarea azotului din biofilm include nitrificarea aerobă și denitrificarea anoxică, iar temperatura este unul dintre factorii cheie care afectează aceste procese. Pe măsură ce temperaturile scad, rata de nitrificare a bacteriilor din sistemele cu nămol activ scade treptat, cu o reducere semnificativă a capacității de nitrificare atunci când temperaturile scad sub 8 grade. Acest articol detaliază în mod sistematic funcționarea proceselor MBBR în condiții de temperatură joasă-din aspecte precum comunitățile microbiene, tehnologiile de îmbunătățire a purtătorilor și combinațiile și manipularea proceselor, oferind referințe pentru cercetări și aplicații ulterioare.
1. Cercetări privind comunitățile microbiene în sisteme MBBR cu temperatură joasă-
În prezent, procesul de bază în stațiile de epurare a apelor uzate este tratarea biologică.Temperaturile scăzute din timpul iernii (mai puțin sau egale cu 15 grade) inhibă activitatea bacteriilor nitrificatoare din bioreactoare, afectând procesul de nitrificare și limitând capacitatea sistemului de îndepărtare a azotului.. Bacteriile nitrifiante sunt autotrofe cu cicluri lungi de generare și sunt sensibile la schimbările de temperatură, cu un interval optim de temperatură de creștere de 20-35 de grade.
1.1 Activitatea microbiană
Biofilmele din reactoarele MBBR cresc atașate de suprafețele purtătoare, susținând creșterea microorganismelor cu cicluri lungi de generare, crescând astfel conținutul de bacterii nitrificatoare din sistem. În comparație cu procesele cu nămol activat, MBBR prezintă performanțe mai puternice de nitrificare la temperaturi scăzute, ceea ce îl face pe scară largă în tratarea apelor uzate la-joasă temperatură. Temperatura scăzută este unul dintre factorii importanți de mediu care afectează performanța de nitrificare a acestui reactor. Reducerea temperaturii duce la scăderea fluidității membranei celulare și a catalizei enzimatice, la reducerea transportului materialului și a ratelor metabolice, afectând astfel stabilitatea structurilor secundare ale acidului nucleic și inhibând replicarea ADN-ului, transcripția ARNm și translația. Când temperaturile scad sub punctul de îngheț citoplasmatic, se formează cristale de gheață în interiorul celulelor, provocând daune structurale severe. Studiile lui Qiu Tian et al. a aratat caactivitățile de oxidare a amoniacului și de oxidare a nitriților ale biofilmului MBBR la 10 grade au fost de 55% și, respectiv, 56% din cele la 20 de grade.. Zheng Zhijia și colab. a testat ratele de nitrificare a nămolului activ îno stație de tratare a apelor uzate vara (20 grade) și iarna (8 grade), constatând că rata de nitrificare a azotului amoniac la 8 grade a fost de 48,5% din cea la 20 de grade. Impactul temperaturii scăzute asupra capacității de nitrificare a rezervoarelor biochimice include două aspecte: în primul rând, temperatura scăzută afectează activitatea comunităților de bacterii nitrificatoare, iar în al doilea rând, temperaturile scăzute prelungite reduc populația de bacterii nitrificatoare din nămolul activ.
1.2 Concurența comunitară microbiană
Deoarece bacteriile de nitrificare sunt autotrofe, alte comunități microbiene au un impact semnificativ asupra procesului de nitrificare și concurează puternic cu bacteriile de nitrificare. Houweling și colab. a efectuat experimente de proces MBBR, arătând că la 4 grade, MBBR are un anumit potențial de nitrificare, dar creșterea excesivă a microorganismelor heterotrofe în sistem a redus rata de nitrificare într-o oarecare măsură. Shao Shuhai și colab. a indicat că efectul de îndepărtare a azotului al MBBR cu o singură etapă-nu este ideal din cauza competiției dintre bacteriile nitrificatoare și heterotrofe. Han Wenjie și colab. au studiat schimbările comunității microbiene și modelele de distribuție biologică într-o stație de epurare a apelor uzate utilizând procese hibride MBBR în timpul sezoanelor cu temperatură scăzută-, constatând că numărul de specii microbiene din biofilmele purtătoare suspendate a fost mai mic decât cel din nămolul activat din același sistem, cu distribuție neuniformă a speciilor. Adăugarea de purtători suspendați a îmbunătățit diversitatea microbiană în sistem, în timp ce modurile de influență și operaționale au avut o anumită selectivitate asupra compoziției comunității microbiene. Wu Han și colab. tratare simulată a apelor uzate menajere folosind trei reactoare MBBR în loturi secvențiale cu diferite tipuri de umplere. Prin reducerea treptată a temperaturilor (25, 20, 15, 10, 6 și 5 grade ) pentru a cultiva și aclimatiza biofilmele pentru apele uzate la temperatură joasă-, au descoperit că în cele trei reactoare dominau diferite microorganisme. Rezultatele-de secvențiere cu randament ridicat au arătat că la 5 grade , microorganismele care degradau materia organică au fost predominante în toate cele trei reactoare; un reactor a aclimat și a îmbogățit cu succes bacteriile de nitrificare psihrofile, în timp ce celelalte două aveau abundențe mai mari de bacterii fixatoare de azot-nefavorabile pentru îndepărtarea azotului.
1.3 Aclimatizarea Microorganismelor Psihrofile
Tehnologia de îmbunătățire a aclimatării și îmbogățirii pentru comunitățile microbiene dominante-la temperatură joasăeste o metodă eficientă de îmbunătățire a eficienței operaționale și a stabilității MBBR în condiții de temperatură scăzută{0}. Prin inducția progresivă și cultivarea optimizată, populațiile dominante sunt analizate și aplicate, utilizând toleranța puternică a comunităților microbiene pentru a reduce impactul temperaturilor scăzute, oferind un potențial de stabilitate pe termen lung-. Wang Dan și colab. a constatat că, în condiții de temperatură scăzută de iarnă, adăugarea de nămol activat care conține comunități microbiene tolerante la rece-pentru a obține un bioreactor hibrid simbiotic cu nămol activat-biofilm a oferit avantaje precum pornirea rapidă, formarea rapidă a biofilmului și efectele de tratament stabile. Delatolla și colab. a descoperit că decarbonizarea sistemului la 1 grad a crescut biomasa activă de nitrificare, a îngroșat biofilmul, a crescut efectiv numărul de celule viabile în timpul funcționării la temperatură joasă-și a îmbunătățit performanța de nitrificare a sistemului. În plus, NO, N₂H4, NH2OH etc., sunt intermediari cheie care stimulează procesul anaerob de oxidare a amoniului (anammox) și atenuează inhibarea bacteriilor anammox de către NO₂. Zekker și colab., într-un studiu de tratare a apelor reziduale cu concentrație mare de-(concentrație de azot amoniac 740 mg/L) cu un sistem MBBR, au descoperit că adăugarea de NO a accelerat semnificativ procesul anammox, iar abundența bacteriilor oxidante-amoniacului a crescut proporțional în timpul funcționării sistemului.
2. Cercetări privind tehnologiile de îmbunătățire a transportorului pentru MBBR la temperaturi scăzute
Selectarea materialelor de umplutură MBBR suspendate este una dintre tehnologiile de bază ale acestui proces pentru tratarea apelor uzate și un factor cheie care afectează eficiența procesului și costurile de inginerie. Tipurile de umplutură utilizate în mod obișnuit includ materiale de umplutură tip fagure, materiale de umplutură semi-moale și materiale de umplutură compozite, printre altele. Aplicațiile practice pot întâmpina probleme cum ar fi înfundarea umpluturii, aglomerarea și îmbătrânirea. În condiții de temperatură scăzută-formarea biofilmului pe materialele de umplutură MBBR este mai lentă, prelungind potențial perioadele de pornire a echipamentului, împiedicând funcționarea normală a procesului, ducând la o rezistență scăzută la șocuri și neatingând efectele așteptate ale tratamentului. Purtătorii suspendați MBBR utilizați industrial variază în dimensiune și formă și sunt fabricați din polimeri cu moleculară înaltă, cum ar fi polietilena de înaltă densitate (HDPE), polietilena (PE) sau polipropilena (PP) prin metode precum extrudarea topiturii sau granularea. Odată cu aplicarea-ingineriei pe scară largă a acestui proces, varietatea transportatorilor comerciali a crescut treptat. Designul și procesarea purtătorului pot fi adaptate la calitatea apei și la caracteristicile de creștere microbiană, permițând optimizarea și îmbunătățirea direcționată pentru a îmbunătăți sistemele de biofilm MBBR în condiții de temperatură joasă-. În aplicațiile practice, modificările purtătorului se concentrează în primul rând pe îmbunătățirea suprafeței specifice, hidrofilității, bio-afinității, proprietăților magnetice etc., pentru a îmbunătăți transferul de masă purtător, formarea biofilmului și performanța de tratare a apelor uzate.
2.1 Încărcare magnetică
Cercetările actuale au explorat utilizarea câmpurilor magnetice pentru a optimiza capacitatea MBBR de tratare a apelor uzate la temperaturi scăzute.Câmpurile magnetice cu anumite puteri pot îmbunătăți eliminarea poluanților în procesele de tratare biologică. Sub câmpuri magnetice slabe, poluanții organici sunt îmbogățiți pe suprafața purtătorilor biologici magnetici prin agregare și adsorbție magnetică, ajutați de forțele magnetice, forțele Lorentz și efectele magneto-coloidale. Într-un interval de intensitate adecvat, câmpurile magnetice pot îmbunătăți utilizarea oxigenului microbian, pot îmbunătăți metabolismul creșterii microbiene și activitatea enzimatică și pot crește permeabilitatea membranei celulare. Jing Shuangyi și colab. a studiat efectele comparative ale adăugării de purtători magnetici [polietilenă, neodim fier bor pulbere magnetică (Nd₂Fe₁₄B) și polyquaternium-10 (PQAS-10), etc.] față de purtători comerciali în reactoare MBBR. Rezultatele au arătat că în condiții de temperatură joasă-, purtătorii magnetici au îmbunătățit semnificativ activitatea de nitrificare a biofilmului, au promovat secreția extracelulară de substanță polimerică (EPS) și au menținut și îmbunătățit morfologia și structura biofilmului. Purtătorii magnetici au îmbogățit mai multe genuri de bacterii nitrificante, cu abundența relativă de bacterii oxidante amoniac și bacterii oxidante de nitriți a crescut de 1,82 ori, respectiv de 1,05 ori, în comparație cu purtătorii comerciali, și au aclimat și îmbogățit două genuri de bacterii nitrificatoare unice.
2.2 Modificarea transportatorului
Pe lângă încărcarea magnetică, modificarea afinității materialelor purtătoare tradiționale, cum ar fi polietilena, este, de asemenea, o modalitate importantă de a îmbunătăți performanța formării biofilmului de umplutură. Sun Bo și colab. au folosit materiale de umplutură nano-suspendate noi pentru a trata apele reziduale menajere la temperatură joasă-. La 10-12 grade, perioada de formare a biofilmului pentru nano umpluturi a fost mai mică de 18 zile, mai scurtă decât alte materiale de umplutură, cu rata de eliminare a COD a sistemului stabilă la aproximativ 75%, demonstrând o bună valoare de promovare. Ren Yanqiang și colab. au folosit materiale de umplutură în suspensie de tip fagure, fabricate din aliaje polimerice foarte hidrofile, pentru a trata efluenții din rezervorul primar de sedimentare al unei stații de tratare a apelor uzate în condiții de temperatură joasă-. Rezultatele au indicat că aceste materiale de umplutură suspendate au îmbunătățit în mod eficient capacitatea de atașare a microorganismelor active de suprafață, ajutând la îmbunătățirea efectelor de tratament ale procesului MBBR. Han Xiaoyun și colab. a folosit spumă poliuretanică moale cu o structură de pori dezvoltată ca purtător imobilizat pentru a fixa comunitățile microbiene eficiente-tolerante la frig, separate de nămolul activat. După adăugarea acestui material de umplutură în reactor, efectele tratării poluanților s-au îmbunătățit semnificativ, cu o rată de eliminare a COD de 82% și o rată de eliminare a cererii biochimice de oxigen (BOD) de 92% în condiții de temperatură joasă-. Chen şi colab. a folosit un proces MBBR cu material de umplutură cu gel de alcool polivinilic (PVA) inoculat cu bacterii HN-AD pentru a trata apele reziduale de creștere a animalelor și a păsărilor de curte în loc de nămol activat. În cadrul diferitelor rapoarte carbon-la-azot (C/N), performanța diferiților purtători a variat semnificativ. Structura poroasă a gelului PVA a oferit protecție bacteriilor, rezultând o performanță mai stabilă. Analiza microbiană a arătat că procesul MBBR cu purtători de gel PVA a favorizat creșterea bacteriilor autotrofe și a bacteriilor HN-AD (Paracoccus și Acinetobacter).
3. Combinarea proceselor și Reglarea MBBR la temperaturi scăzute
Acest sistem are cerințe unice pentru formarea de biofilm pe suprafețele de umplutură, subliniind importanța combinării proceselor și a Reglementării. Nitrificarea stabilă în MBBR poate fi realizată prin Reglarea parametrilor și rapoartelor procesului; compensarea efectelor temperaturii scăzute prin constrângeri mai stricte este o metodă relativ directă și eficientă.
3.1 Aerarea
Procesul MBBR este aplicat în prezent în principal în medii aerobe. Rata și metoda de aerare din reactor afectează direct conținutul de oxigen dizolvat (DO) din sistem și caracteristicile formării biofilmului, influențând astfel nivelul de degradare a poluanților. Chen Long și colab., în timpul epurării apelor uzate industriale, au abordat eficient dificultățile în formarea biofilmului folosind măsuri precum aerarea în lot, obținând rata de eliminare a COD de 95,5% și rata de eliminare a azotului amoniac de 91%. Persson şi colab. a folosit MBBR pentru a trata apele uzate mixte de deșeuri de bucătărie și apă neagră după pretratare anaerobă la 10 grade, realizând nitrificarea completă prin aerare intermitentă. Bian şi colab. a constatat că controlul unui raport constant între concentrația totală de DO și azot amoniac a optimizat efectele efluenților la temperaturi scăzute; când raportul de control nu a depășit 0,17, procesul de nitrificare a rămas stabil la 6 grade.
3.2 Raportul carbon-la-azot (C/N)
Există o competiție evidentă între bacteriile nitrificatoare și heterotrofe; prin urmare, reglarea C/N devine un parametru important care afectează echilibrul dintre materia organică și degradarea azotului din sistem. Chen şi colab. a arătat că în sistemele MBBR, când C/N era între 4-15, rata de eliminare a COD era peste 90%. Când C/N a scăzut la 1, rata de eliminare a COD a scăzut semnificativ. Eficiența sistemului de eliminare a azotului amoniac a crescut mai întâi și apoi a scăzut odată cu reducerea C/N. Chen şi colab. a explorat impactul C/N asupra performanței unui reactor A/O-MBBR care tratează apele uzate de maricultură.Rezultatele au indicat că reducerea C/N este benefic pentru îmbunătățirea eficienței de eliminare a COD și a azotului amoniac.
3.3 Timp de retenție hidraulică
Timpul de retenție hidraulică (HRT) determină sarcina de nămol activ din sistemul de reacție. HRT prea mare sau prea scăzută poate afecta eficiența tratamentului și costurile de construcție/operaționale ale sistemelor MBBR. Selectarea unui HRT rezonabil este crucială pentru funcționarea stabilă a sistemului. Van şi colab. MBBR aplicat pentru controlul poluării din surse non-punctuale la temperaturi scăzute. Cercetările au arătat că la 5 grade, pe măsură ce HRT a scăzut, eficiența de eliminare a poluanților a scăzut semnificativ, 8 ore fiind timpul minim de retenție pentru a asigura denitrificarea nitraților în azot gazos. Wang Chuanxin și colab. ape uzate menajere tratate cu sistem de biofilm anoxic/aerob, cu accent pe caracteristicile nitrificării și denitrificării simultane în MBBR la temperaturi scăzute. Rezultatele au arătat că sistemul s-a adaptat bine la scăderile sezoniere de temperatură prin extinderea HRT, stabilizând concentrațiile de COD din efluent și azot amoniac pentru a îndeplini standardele. Shitu a folosit un nou material de umplutură cu burete ca purtător de biofilm MBBR pentru a studia efectul său de tratare a apei la diferite HRT. Rezultatele au indicat că efectele tratarii apei au fost cele mai bune la HRT 6 ore. Zhao Wenbin și colab. a arătat că HRT optimă pentru eliminarea poluanților din apele uzate de către sistemele MBBR în condiții de temperatură joasă-a fost de 24 de ore. Han Lei și colab. a studiat rata de eliminare a poluanților atunci când HRT a fost redusă de la 15,4 ore la 11,0 ore într-un șanț de oxidare DE + proces combinat MBBR. Rezultatele au arătat că, pe măsură ce HRT s-a scurtat, eficiența de eliminare a poluanților a scăzut treptat, dar calitatea efluentului ar putea încă îndeplini cerințele țintei de calitate a apei, reflectând rezistența puternică la șocuri a sistemului MBBR.
3.4 Combinarea proceselor
Deng Rui și colab. a studiat un proces A/O-MBBR în două-etape pentru tratarea apelor uzate municipale. În condiții de temperatură scăzută a apei și concentrație scăzută de influent, acest proces combinat a demonstrat rezistență puternică la șoc și adaptabilitate la temperatură, funcționare stabilă și funcționare convenabilă, arătând perspective bune de aplicare în tratarea apelor uzate. Luostarinen și colab. a studiat efectele de tratare a procesului MBBR asupra apelor uzate de lactate după pretratarea anaerobă la temperaturi scăzute. Rezultatele au arătat că procesul ar putea elimina 40%-70% din COD, 50%-60% din azot, iar combinația de Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) și MBBR ar putea elimina 92% din COD, 99% din BOD și 65%-70% din azot. Ru Chun și colab. a folosit un proces modificat de precipitare Bardenpho-MBBR + încărcare magnetică pentru a renova o stație de tratare a apelor uzate. Prin ajustarea punctelor de dozare a surselor de carbon și implementarea fluxului în mai multe-puncte și a refluxului în mai multe-puncte în sistem, s-a realizat o utilizare eficientă a surselor de carbon adăugate extern, asigurând efecte de nitrificare și denitrificare la 8,7 grade , cu o calitate stabilă a efluentului mai bună decât standardele de evacuare.
Concluzie
În condiții de temperatură joasă-, activitatea microbiană în sistemele MBBR scade și există o competiție evidentă între microorganismele heterotrofe care tratează materia organică și microorganismele autotrofe care tratează azotul amoniac. Prin urmare, pe baza compoziției poluanților apei brute și a cerințelor indicatorilor de efluenți, ar trebui luate în considerare pe deplin C/N adecvat. Măsuri precum îmbunătățirea și aclimatizarea tulpinilor dominante la temperatură joasă-, îmbogățirea țintită și creșterea abundenței populațiilor dominante pe purtători ar trebui implementate pentru indicatorii cheie pentru a asigura calitatea efluentului.
Îmbunătățirea purtătorului este un mijloc important de îmbunătățire a-toleranței la temperatură scăzută a sistemelor MBBR și de îmbunătățire a eficienței degradării procesului. Măsurile specifice includ în principal încărcarea magnetică și tratarea structurală a suporturilor. Încărcarea magnetică poate îmbunătăți atașarea bacteriilor nitrificatoare la temperaturi scăzute, poate întări procesul de secreție EPS și poate îmbunătăți activitatea bacteriilor; optimizarea structurii purtătorului și a proprietăților suprafeței poate accelera eficiența transferului de masă a poluanților, poate îmbunătăți capacitatea acestora de a solidifica și proteja comunitățile microbiene și poate menține o performanță mai stabilă a sistemului.
Procesul MBBR în sine posedă anumite caracteristici de -rezistență la temperatură scăzută. Cu toate acestea, odată cu îmbunătățirea continuă a standardelor de calitate a efluenților pentru stațiile de tratare a apelor uzate, ajustarea condițiilor de lucru și combinarea proceselor de MBBR în condiții de temperatură scăzută-au devenit un conținut important de cercetare pentru descoperirea procesului. Pentru diferite tipuri de ape uzate, condițiile optime de lucru ar trebui determinate pe baza situațiilor reale. Între timp, combinațiile rezonabile de procese pot îmbunătăți în mod eficient rezistența la șoc, adaptabilitatea la temperatură și stabilitatea sistemului MBBR față de poluanți.