Napredak istraživanja o radu procesa i primjeni MBBR-a Sustavi na niskim temperaturama
Pregled
Proces reaktora s pokretnim slojem biofilma (MBBR) jedna je od široko korištenih tehnologija za pročišćavanje otpadnih voda s biofilmom. U usporedbi s konvencionalnim procesima s aktivnim muljem, MBBR nudi prednosti kao što su učinkovita kvaliteta efluenta, jaka otpornost na udarna opterećenja i nema zahtjeva za povrat mulja ili ispiranje. Tijekom razdoblja niskih-temperatura zimi, posebno u sjevernim regijama i jugozapadnim visoravnima, temperature zraka mogu lako pasti ispod 5 stupnjeva, a temperature vode mogu pasti ispod 15 stupnjeva. Niske temperature mogu dovesti do ne-usklađenosti pokazatelja otpadnih voda kao što su kemijska potrošnja kisika (COD), dušik u amonijaku i ukupni dušik u MBBR sustavima. Uklanjanje dušika iz biofilma uključuje aerobnu nitrifikaciju i anoksičnu denitrifikaciju, a temperatura je jedan od ključnih čimbenika koji utječu na te procese. Kako se temperature smanjuju, stopa nitrifikacije bakterija u sustavima s aktivnim muljem postupno opada, uz značajno smanjenje kapaciteta nitrifikacije kada temperature padnu ispod 8 stupnjeva. Ovaj članak sustavno razrađuje rad MBBR procesa u uvjetima niske-temperature s aspekta kao što su mikrobne zajednice, tehnologije poboljšanja nositelja te kombinacije procesa i manipulacija, pružajući reference za daljnja istraživanja i primjenu.
1. Istraživanje mikrobnih zajednica u nisko-temperaturnim MBBR sustavima
Trenutačno je temeljni proces u postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda biološka obrada.Niske temperature zimi (Manje od ili jednake 15 stupnjeva) inhibiraju aktivnost nitrificirajućih bakterija u bioreaktorima, utječući na proces nitrifikacije i ograničavajući kapacitet uklanjanja dušika iz sustava. Nitrifikacijske bakterije su autotrofne s dugim generacijskim ciklusima i osjetljive su na promjene temperature, s optimalnim temperaturnim rasponom rasta od 20-35 stupnjeva.
1.1 Mikrobna aktivnost
Biofilmovi u MBBR reaktorima rastu pričvršćeni za površine nosača, podržavajući rast mikroorganizama s dugim generacijskim ciklusima, čime se povećava sadržaj nitrificirajućih bakterija u sustavu. U usporedbi s procesima s aktivnim muljem, MBBR pokazuje jače performanse nitrifikacije na niskim temperaturama, što ga čini naširoko upotrebljavanim u pročišćavanju otpadnih voda pri niskim{1}}temperaturama. Niska temperatura je jedan od važnih čimbenika okoliša koji utječu na performanse nitrifikacije ovog reaktora. Smanjenje temperature dovodi do smanjene fluidnosti stanične membrane i enzimske katalize, smanjenog transporta materijala i metaboličkih stopa, čime utječe na stabilnost sekundarnih struktura nukleinske kiseline i inhibira replikaciju DNA, transkripciju i translaciju mRNA. Kada temperature padnu ispod točke smrzavanja citoplazme, u stanicama se stvaraju kristali leda, uzrokujući ozbiljna strukturna oštećenja. Studije Qiu Tiana i sur. pokazao daaktivnosti oksidacije amonijaka i oksidacije nitrita MBBR biofilma na 10 stupnjeva bile su 55% odnosno 56% onih na 20 stupnjeva. Zheng Zhijia i sur. ispitao stope nitrifikacije aktivnog mulja upostrojenje za pročišćavanje otpadnih voda ljeti (20 stupnjeva) i zimi (8 stupnjeva), otkrivši da je stopa nitrifikacije amonijačnog dušika na 8 stupnjeva 48,5% od one na 20 stupnjeva. Utjecaj niske temperature na nitrifikacijski kapacitet biokemijskih spremnika uključuje dva aspekta: prvo, niska temperatura utječe na aktivnost zajednica nitrifikacijskih bakterija, a drugo, dugotrajne niske temperature smanjuju populaciju nitrifikacijskih bakterija u aktivnom mulju.
1.2 Natjecanje mikrobne zajednice
Kako su nitrifikacijske bakterije autotrofne, druge mikrobne zajednice značajno utječu na proces nitrifikacije i snažno se natječu s nitrifikacijskim bakterijama. Houweling i sur. proveo je pokuse procesa MBBR, pokazujući da na 4 stupnja MBBR ima određeni nitrifikacijski potencijal, ali prekomjerni rast heterotrofnih mikroorganizama unutar sustava donekle je smanjio stopu nitrifikacije. Shao Shuhai i sur. pokazalo je da učinak uklanjanja dušika jedno-faznog MBBR-a nije idealan zbog natjecanja između nitrificirajućih i heterotrofnih bakterija. Han Wenjie i sur. proučavali su promjene mikrobne zajednice i obrasce biološke distribucije u postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda koristeći MBBR hibridne procese tijekom sezona niskih-temperatura, otkrivši da je broj mikrobnih vrsta u suspendiranim biofilmovima nosačima bio niži od onog u aktivnom mulju iz istog sustava, s neravnomjernom distribucijom vrsta. Dodavanje suspendiranih nosača povećalo je mikrobnu raznolikost u sustavu, dok su influentni i operativni načini imali određenu selektivnost na sastav mikrobne zajednice. Wu Han i sur. simulirana obrada kućnih otpadnih voda korištenjem tri sekvencijalna šaržna MBBR reaktora s različitim vrstama punila. Postupnim smanjivanjem temperatura (25, 20, 15, 10, 6 i 5 stupnjeva) kako bi se uzgojili i aklimatizirali biofilmovi za otpadnu vodu niske-temperature, otkrili su da različiti mikroorganizmi dominiraju u tri reaktora. Visok{21}}rezultati sekvencioniranja pokazali su da su na 5 stupnjeva mikroorganizmi koji razgrađuju organsku tvar prevladavali u sva tri reaktora; jedan je reaktor uspješno aklimatizirao i obogatio psihrofilne nitrifikacijske bakterije, dok su druga dva imala veće količine dušiko-fiksirajućih bakterija koje nisu pogodne za uklanjanje dušika.
1.3 Privikavanje psihofilnih mikroorganizama
Tehnologija poboljšanja prilagodbe i obogaćivanja za-niskotemperaturne dominantne mikrobne zajedniceje učinkovita metoda za poboljšanje operativne učinkovitosti i stabilnosti MBBR-a u uvjetima niske-temperature. Putem progresivne indukcije i optimiziranog uzgoja, dominantne populacije se pretražuju i primjenjuju, koristeći snažnu toleranciju mikrobnih zajednica za smanjenje utjecaja niskih temperatura, nudeći -dugoročni potencijal stabilnosti. Wang Dan i sur. otkrili da u uvjetima niske-temperature zime, dodavanje aktivnog mulja koji sadrži -mikrobne zajednice otporne na hladnoću da bi se postigao simbiotski hibridni bioreaktor s aktivnim muljem-biofilm nudi prednosti kao što su brzo pokretanje, brzo stvaranje biofilma i stabilni učinci tretmana. Delatolla i sur. otkrili su da dekarbonizacija sustava na 1 stupanj povećava nitrifikacijsku aktivnu biomasu, podebljava biofilm, učinkovito povećava broj održivih stanica tijekom rada na niskim-temperaturama i poboljšava performanse nitrifikacije sustava. Dodatno, NO, N₂H₄, NH₂OH, itd., ključni su intermedijeri koji stimuliraju proces anaerobne amonijeve oksidacije (anamox) i ublažavaju inhibiciju anammox bakterija pomoću NO₂. Zekker i dr., u studiji koja je tretirala otpadnu vodu visoke -koncentracije (koncentracija dušika u amonijaku 740 mg/L) s MBBR sustavom, otkrili su da dodavanje NO značajno ubrzava proces anammoksa, a obilje bakterija-oksidacija amonijaka proporcionalno se povećava tijekom rada sustava.
2. Istraživanje tehnologija poboljšanja nositelja za MBBR na niskim temperaturama
Odabir suspendiranih MBBR punila jedna je od temeljnih tehnologija ovog procesa za pročišćavanje otpadnih voda i ključni faktor koji utječe na učinkovitost procesa i troškove inženjeringa. Uobičajene vrste punila uključuju, između ostalih, punila u obliku saća, polu-meka punila i kompozitna punila. Praktične primjene mogu naići na probleme poput začepljenja punila, aglomeracije i starenja. U uvjetima niskih-temperatura, stvaranje biofilma na MBBR punilima je sporije, potencijalno produžujući razdoblja pokretanja opreme, ometajući normalan rad procesa, što rezultira slabom otpornošću na udarno opterećenje i ne postiže očekivane učinke tretmana. Industrijski korišteni MBBR suspendirani nosači razlikuju se po veličini i obliku i izrađuju se od visokomolekularnih polimera kao što su polietilen visoke -gustoće (HDPE), polietilen (PE) ili polipropilen (PP) metodama poput ekstruzije taline ili granulacije. S -inženjerskom primjenom ovog procesa u velikim razmjerima, raznolikost komercijalnih prijevoznika postupno se povećala. Dizajn nosača i obrada mogu se prilagoditi kvaliteti vode i karakteristikama rasta mikroba, omogućujući ciljanu optimizaciju i poboljšanje za poboljšanje MBBR sustava biofilma u uvjetima niske-temperature. U praktičnim primjenama, modifikacije nosača primarno su usredotočene na poboljšanje specifične površine, hidrofilnosti, bio-afiniteta, magnetskih svojstava itd., kako bi se poboljšao prijenos mase nosača, stvaranje biofilma i izvedba pročišćavanja otpadnih voda.
2.1 Magnetsko opterećenje
Trenutno istraživanje istraživalo je korištenje magnetskih polja za optimizaciju kapaciteta MBBR-a za pročišćavanje otpadnih voda pri niskim temperaturama.Magnetska polja određene jakosti mogu poboljšati uklanjanje onečišćujućih tvari u procesima biološke obrade. Pod slabim magnetskim poljima, organski zagađivači se obogaćuju na površini magnetskih bioloških nosača putem magnetske agregacije i adsorpcije, potpomognute magnetskim silama, Lorentzovim silama i magneto-koloidnim učincima. Unutar odgovarajućeg raspona intenziteta, magnetska polja mogu poboljšati iskorištavanje kisika mikroba, poboljšati metabolizam rasta mikroba i aktivnost enzima te povećati propusnost stanične membrane. Jing Shuangyi i sur. proučavali su usporedne učinke dodavanja magnetskih nosača [polietilen, neodimijski željezo-bor magnetski prah (Nd₂Fe₁₄B) i polikvaternij-10 (PQAS-10) itd.] u odnosu na komercijalne nosače u MBBR reaktorima. Rezultati su pokazali da pod uvjetima niske-temperature magnetski nosači značajno poboljšavaju aktivnost nitrifikacije biofilma, potiču izlučivanje izvanstanične polimerne tvari (EPS) te održavaju i poboljšavaju morfologiju i strukturu biofilma. Magnetski nosači obogatili su više rodova nitrificirajućih bakterija, s relativnim obiljem bakterija koje oksidiraju amonijak i bakterija koje oksidiraju nitrit povećao se za 1,82 puta odnosno 1,05 puta, u usporedbi s komercijalnim nosačima, te su aklimatizirali i obogatili dva jedinstvena roda nitrifikacijskih bakterija.
2.2 Promjena nositelja
Osim magnetskog opterećenja, modifikacija afiniteta tradicionalnih nosećih materijala kao što je polietilen također je važan način za poboljšanje učinka stvaranja biofilma punila. Sun Bo i sur. upotrijebio nova nano suspendirana punila za pročišćavanje kućnih-otpadnih voda niske temperature. Na 10-12 stupnjeva, razdoblje stvaranja biofilma za nano punila bilo je manje od 18 dana, kraće od ostalih punila, sa stopom uklanjanja COD sustava koja je bila stabilna na oko 75%, što pokazuje dobru promotivnu vrijednost. Ren Yanqiang i sur. korištena saćasta suspendirana punila izrađena od visoko hidrofilnih polimernih legura za obradu efluenta iz primarnog taložnika postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda u uvjetima niske-temperature. Rezultati su pokazali da su ta suspendirana punila učinkovito poboljšala sposobnost pričvršćivanja površinski-aktivnih mikroorganizama, pomažući u poboljšanju učinaka tretmana MBBR procesa. Han Xiaoyun i sur. upotrijebio meku poliuretansku pjenu s razvijenom strukturom pora kao imobilizirani nosač za fiksiranje učinkovitih mikrobnih-tolerantnih zajednica odvojenih od aktivnog mulja. Nakon dodavanja ovog punila u reaktor, učinci obrade zagađivača su se značajno poboljšali, sa stopom uklanjanja KPK od 82% i stopom uklanjanja biokemijske potrošnje kisika (BPK) od 92% pod uvjetima niske-temperature. Chen i sur. koristili su MBBR postupak s polivinil alkoholnim (PVA) gel punilom inokuliranim s HN-AD bakterijama za obradu otpadnih voda iz uzgoja stoke i peradi umjesto aktivnog mulja. Pod različitim omjerima ugljika-prema-dušiku (C/N), učinak različitih nosača značajno je varirao. Porozna struktura PVA gela pružila je zaštitu bakterijama, što je rezultiralo stabilnijim radom. Mikrobna analiza pokazala je da MBBR proces s PVA gel nosačima pogoduje rastu autotrofnih bakterija i HN-AD bakterija (Paracoccus i Acinetobacter).
3. Kombinacija procesa i Regulacija MBBR-a pri niskim temperaturama
Ovaj sustav ima jedinstvene zahtjeve za stvaranje biofilma na površinama punila, naglašavajući važnost kombinacije procesa i regulacije. Stabilna nitrifikacija u MBBR-u može se postići regulacijom procesnih parametara i omjera; kompenzacija učinaka niske temperature putem strožih ograničenja je relativno izravna i učinkovita metoda.
3.1 Prozračivanje
MBBR proces trenutno se uglavnom primjenjuje u aerobnim okruženjima. Brzina prozračivanja i metoda u reaktoru izravno utječu na sadržaj otopljenog kisika (DO) u sustavu i karakteristike stvaranja biofilma, čime utječu na razinu razgradnje onečišćujućih tvari. Chen Long i dr., tijekom obrade industrijskih otpadnih voda, učinkovito su riješili poteškoće u stvaranju biofilma korištenjem mjera kao što je šaržna aeracija, postižući stopu uklanjanja KPK od 95,5% i stopu uklanjanja dušika iz amonijaka od 91%. Persson i sur. koristio je MBBR za obradu mješovite otpadne vode kuhinjskog otpada i crne vode nakon anaerobne predobrade na 10 stupnjeva, postižući potpunu nitrifikaciju kroz povremenu aeraciju. Bian i sur. otkrili da kontroliranje konstantnog omjera između DO i ukupne koncentracije dušika u amonijaku optimizira učinke efluenta pri niskim temperaturama; kada kontrolni omjer nije premašio 0,17, proces nitrifikacije je ostao stabilan na 6 stupnjeva.
3.2 Omjer ugljika-na-dušika (C/N)
Postoji očita konkurencija između nitrificirajućih i heterotrofnih bakterija; stoga regulacija C/N postaje važan parametar koji utječe na ravnotežu između organske tvari i razgradnje dušika u sustavu. Chen i sur. pokazalo je da je u MBBR sustavima, kada je C/N bio između 4-15, stopa uklanjanja KPK bila iznad 90%. Kada se C/N smanjio na 1, stopa uklanjanja KPK značajno je pala. Učinkovitost uklanjanja dušika iz amonijaka iz sustava prvo se povećala, a zatim smanjila sa smanjenjem C/N. Chen i sur. istražio je utjecaj C/N na rad A/O-MBBR reaktora koji pročišćava otpadne vode iz marikulture.Rezultati su pokazali da smanjenje C/N je korisno za poboljšanje KPK i učinkovitosti uklanjanja dušika iz amonijaka.
3.3 Hidrauličko vrijeme zadržavanja
Hidrauličko vrijeme zadržavanja (HRT) određuje opterećenje aktivnog mulja unutar reakcijskog sustava. Previsok ili prenizak HRT može utjecati na učinkovitost liječenja i troškove konstrukcije/operacije MBBR sustava. Odabir razumnog HRT-a ključan je za stabilan rad sustava. Van i sur. primijenjeni MBBR za poljoprivrednu ne{4}}kontrolu onečišćenja iz točkastih izvora pri niskim temperaturama. Istraživanje je pokazalo da je na 5 stupnjeva, kako se HRT smanjio, učinkovitost uklanjanja onečišćivača značajno opala, pri čemu je 8 sati minimalno vrijeme zadržavanja da se osigura denitrifikacija nitrata u plinoviti dušik. Wang Chuanxin i sur. pročišćene kućne otpadne vode s anoksičnim/aerobnim sustavom biofilma, fokusirajući se na karakteristike istovremene nitrifikacije i denitrifikacije u MBBR-u na niskim temperaturama. Rezultati su pokazali da se sustav dobro prilagodio sezonskim padovima temperature produljenjem HRT-a, stabiliziranjem KPK u otpadnoj vodi i koncentracije dušika u amonijaku kako bi se zadovoljili standardi. Shitu je upotrijebio novo spužvasto punilo kao nositelj MBBR biofilma za proučavanje njegovog učinka obrade vode na različitim HRT-ima. Rezultati su pokazali da su učinci tretmana vodom bili najbolji pri HRT-u 6 h. Zhao Wenbin i sur. pokazalo je da je optimalno HRT za uklanjanje onečišćujućih tvari u otpadnoj vodi MBBR sustavima u uvjetima niske-temperature bilo 24 h. Han Lei i sur. proučavali su brzinu uklanjanja onečišćenja kada je HRT smanjen s 15,4 h na 11,0 h u DE oksidacijskom jarku + MBBR kombiniranom procesu. Rezultati su pokazali da je kako se HRT skraćivao, učinkovitost uklanjanja onečišćivača postupno opadala, ali kvaliteta otpadnih voda još uvijek može zadovoljiti zahtjeve ciljne kvalitete vode, odražavajući jaku otpornost MBBR sustava na udarno opterećenje.
3.4 Kombinacija procesa
Deng Rui i sur. proučavao dvo-fazni A/O-MBBR proces za pročišćavanje komunalnih otpadnih voda. U uvjetima niske temperature vode i niske ulazne koncentracije, ovaj kombinirani proces pokazao je jaku otpornost na udarna opterećenja i temperaturnu prilagodljivost, stabilan rad i pogodan rad, pokazujući dobre izglede za primjenu u pročišćavanju otpadnih voda. Luostarinen i sur. proučavali su učinke tretmana MBBR procesa na otpadne vode mliječnih proizvoda nakon anaerobne predtretmana na niskim temperaturama. Rezultati su pokazali da proces može ukloniti 40%–70% COD, 50%–60% dušika, a kombinacija uzlaznog anaerobnog pokrivača mulja (UASB) i MBBR može ukloniti 92% COD, 99% BPK i 65%–70% dušika. Ru Chun i sur. koristio modificirani Bardenpho-MBBR + proces taloženja magnetskim opterećenjem za renoviranje postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda. Prilagodbom točaka doziranja izvora ugljika i implementacijom više-točaka influksa i više-točkastog refluksa u sustavu, postignuta je učinkovita upotreba izvana dodanih izvora ugljika, osiguravajući učinke nitrifikacije i denitrifikacije na 8,7 stupnjeva, sa stabilnom kvalitetom efluenta boljom od standarda za ispuštanje.
Zaključak
U uvjetima niske-temperature, mikrobna aktivnost u MBBR sustavima opada i postoji očita konkurencija između heterotrofnih mikroorganizama koji tretiraju organsku tvar i autotrofnih mikroorganizama koji tretiraju amonijačni dušik. Stoga, na temelju sastava zagađivača sirove vode i zahtjeva pokazatelja otpadnih voda, potrebno je u potpunosti razmotriti odgovarajući C/N. Mjere poput poboljšanja i prilagodbe dominantnih sojeva na-niskim temperaturama, ciljanog obogaćivanja i povećanja brojnosti dominantnih populacija na nosačima trebale bi se primijeniti za ključne pokazatelje kako bi se osigurala kvaliteta otpadnih voda.
Poboljšanje nosača važno je sredstvo za poboljšanje niske{0}}temperaturne tolerancije MBBR sustava i povećanje učinkovitosti degradacije procesa. Specifične mjere uglavnom uključuju magnetsko opterećenje i strukturnu obradu nosača. Magnetsko opterećenje može poboljšati pričvršćivanje nitrificirajućih bakterija na niskim temperaturama, ojačati proces lučenja EPS-a i poboljšati aktivnost bakterija; optimiziranje strukture nosača i površinskih svojstava može ubrzati učinkovitost prijenosa mase zagađivača, poboljšati njihovu sposobnost skrućivanja i zaštite mikrobnih zajednica i održati stabilnije performanse sustava.
Sam MBBR proces posjeduje određene-karakteristike otpornosti na niske temperature. Međutim, sa stalnim poboljšanjem standarda kvalitete otpadnih voda za postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda, prilagodba radnih uvjeta i kombinacija procesa MBBR-a pod uvjetima niske-temperature postali su važan istraživački sadržaj za napredak u procesu. Za različite vrste otpadnih voda optimalne uvjete rada treba odrediti na temelju stvarnih situacija. U međuvremenu, razumne kombinacije procesa mogu učinkovito povećati otpornost na udarno opterećenje, temperaturnu prilagodljivost i stabilnost sustava MBBR sustava prema zagađivačima.