Napredak istraživanja o radu procesa i primjeni MBBR-a Sistemi na niskim temperaturama
Pregled
Proces biofilmskog reaktora s pokretnim slojem (MBBR) je trenutno jedna od široko korištenih tehnologija za tretman otpadnih voda sa biofilmom. U poređenju sa konvencionalnim procesima aktivnog mulja, MBBR nudi prednosti kao što su efikasan kvalitet otpadnih voda, jaka otpornost na udarna opterećenja i bez potrebe za vraćanjem mulja ili ispiranjem. Tokom perioda niskih-temperatura zimi, posebno u sjevernim krajevima i jugozapadnim visoravnima, temperature zraka mogu lako pasti ispod 5 stepeni, a temperature vode ispod 15 stepeni. Niske temperature mogu dovesti do ne-usklađenosti indikatora efluenta kao što su hemijska potražnja za kiseonikom (COD), amonijačni azot i ukupni azot u MBBR sistemima. Uklanjanje azota biofilmom uključuje aerobnu nitrifikaciju i anoksičnu denitrifikaciju, a temperatura je jedan od ključnih faktora koji utiču na ove procese. Kako se temperature smanjuju, brzina nitrifikacije bakterija u sistemima aktivnog mulja postepeno opada, uz značajno smanjenje kapaciteta nitrifikacije kada temperature padnu ispod 8 stepeni. Ovaj članak sistematski razrađuje rad MBBR procesa pod niskim-temperaturnim uslovima sa aspekata kao što su mikrobne zajednice, tehnologije za poboljšanje nosača, te kombinacije procesa i manipulacija, pružajući reference za dalja istraživanja i primjenu.
1. Istraživanje mikrobnih zajednica u niskotemperaturnim MBBR sistemima
Trenutno, osnovni proces u postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda je biološki tretman.Niske temperature zimi (manje ili jednake 15 stepeni) inhibiraju aktivnost nitrificirajućih bakterija u bioreaktorima, utičući na proces nitrifikacije i ograničavajući kapacitet sistema za uklanjanje dušika. Nitrifikujuće bakterije su autotrofne sa dugim generacijskim ciklusima i osetljive su na temperaturne promene, sa optimalnim rasponom temperature rasta od 20-35 stepeni.
1.1 Mikrobna aktivnost
Biofilmovi u MBBR reaktorima rastu vezani za noseće površine, podržavajući rast mikroorganizama sa dugim ciklusima generisanja, čime se povećava sadržaj nitrifikujućih bakterija u sistemu. U poređenju sa procesima aktivnog mulja, MBBR pokazuje jače performanse nitrifikacije na niskim temperaturama, što ga čini širokom primjenom u nisko{1}}pročišćavanju otpadnih voda na niskim temperaturama. Niska temperatura je jedan od važnih ekoloških faktora koji utiču na performanse nitrifikacije ovog reaktora. Smanjenje temperature dovodi do smanjene fluidnosti ćelijske membrane i katalize enzima, smanjenog transporta materijala i metaboličkih brzina, čime se utiče na stabilnost sekundarnih struktura nukleinske kiseline i inhibira replikaciju DNK, transkripciju i RNK i translaciju. Kada temperature padnu ispod citoplazmatske tačke smrzavanja, kristali leda se formiraju unutar ćelija, uzrokujući ozbiljna strukturna oštećenja. Studije Qiu Tian et al. pokazao toaktivnosti oksidacije amonijaka i oksidacije nitrita MBBR biofilma na 10 stepeni bile su 55% i 56% onih na 20 stepeni, respektivno. Zheng Zhijia et al. testirali stope nitrifikacije aktivnog mulja upostrojenje za prečišćavanje otpadnih voda ljeti (20 stepeni) i zimi (8 stepeni), utvrdivši da je stopa nitrifikacije amonijačnog azota na 8 stepeni iznosila 48,5% od one na 20 stepeni. Utjecaj niske temperature na kapacitet nitrifikacije biohemijskih rezervoara uključuje dva aspekta: prvo, niska temperatura utiče na aktivnost zajednica nitrifikujućih bakterija, i drugo, dugotrajne niske temperature smanjuju populaciju nitrifikujućih bakterija u aktivnom mulju.
1.2 Takmičenje mikrobne zajednice
Kako su nitrificirajuće bakterije autotrofne, druge mikrobne zajednice značajno utječu na proces nitrifikacije i snažno se nadmeću s nitrificirajućim bakterijama. Houweling et al. sproveli eksperimente MBBR procesa, pokazujući da na 4 stepena MBBR ima određeni potencijal nitrifikacije, ali je prekomjeran rast heterotrofnih mikroorganizama u sistemu donekle smanjio stopu nitrifikacije. Shao Shuhai i dr. ukazuje da efekat uklanjanja azota jednostepenog MBBR-a nije idealan zbog konkurencije između nitrifikujućih i heterotrofnih bakterija. Han Wenjie i dr. proučavali promjene mikrobne zajednice i obrasce biološke distribucije u postrojenju za prečišćavanje otpadnih voda koristeći hibridne procese MBBR tokom sezona niskih{8}}temperatura, otkrivši da je broj mikrobnih vrsta u biofilmovima suspendiranih nosača manji nego u aktivnom mulju iz istog sistema, s neravnomjernom distribucijom vrsta. Dodavanje suspendovanih nosača povećalo je mikrobnu raznolikost u sistemu, dok su uticajni i operativni režimi imali određenu selektivnost na sastav mikrobne zajednice. Wu Han i dr. simulirani tretman kućnih otpadnih voda pomoću tri uzastopna šaržna MBBR reaktora s različitim tipovima punila. Postepenim smanjenjem temperatura (25, 20, 15, 10, 6 i 5 stepeni) kako bi se kultivirali i aklimatizirali biofilmi za nisko{19}}otpadne vode, otkrili su da različiti mikroorganizmi dominiraju u tri reaktora. Rezultati-sekvenciranja visokog protoka pokazali su da su na 5 stepeni mikroorganizmi koji razgrađuju organsku tvar bili dominantni u sva tri reaktora; jedan reaktor je uspješno aklimatizirao i obogatio psihrofilne nitrificirajuće bakterije, dok su druga dva imala veće količine bakterija koje fiksiraju dušik-nepovoljni za uklanjanje dušika.
1.3 Aklimatizacija psihofilnih mikroorganizama
Tehnologija poboljšanja aklimatizacije i obogaćivanja za zajednice mikroba koje su dominantne na niskim{0}temperaturamaje efikasna metoda za poboljšanje operativne efikasnosti i stabilnosti MBBR-a u uslovima niskih-temperatura. Kroz progresivnu indukciju i optimiziranu kultivaciju, dominantne populacije se pregledavaju i primjenjuju, koristeći snažnu toleranciju mikrobnih zajednica kako bi se smanjio utjecaj niskih temperatura, nudeći dugoročni-potencijal stabilnosti. Wang Dan i dr. otkrili su da pod zimskim niskim-uvjetima temperature, dodavanje aktivnog mulja koji sadrži mikrobne zajednice-tolerantne na hladnoću da bi se postigao aktivni mulj-biofilm simbiotski hibridni bioreaktor nudi prednosti kao što su brzo pokretanje, brzo formiranje biofilma i stabilni efekti tretmana. Delatolla et al. otkrili su da dekarbonizacija sistema na 1 stepen povećava nitrifikujuću aktivnu biomasu, zgušnjava biofilm, efektivno povećava broj živih ćelija tokom rada na niskim{11}}temperaturama i poboljšava performanse sistema nitrifikacije. Osim toga, NO, N₂H₄, NH₂OH, itd., ključni su međuprodukti koji stimuliraju proces anaerobne oksidacije amonija (anammox) i ublažavaju inhibiciju anammox bakterija NO₂. Zekker i saradnici, u studiji koja je tretirala otpadne vode visoke{16}}koncentracije (koncentracija amonijačnog azota 740 mg/L) sa MBBR sistemom, otkrili su da dodavanje NO značajno ubrzava anammox proces, a obilje bakterija koje oksidiraju amonijak{18}}proporcionalno se povećava tokom rada sistema.
2. Istraživanje tehnologija za poboljšanje nosioca za MBBR na niskim temperaturama
Odabir suspendovanih MBBR punila jedna je od osnovnih tehnologija ovog procesa za tretman otpadnih voda i ključni faktor koji utiče na efikasnost procesa i troškove inženjeringa. Obično korištene vrste punila uključuju saćasta punila, polu-mekana punila i kompozitna punila, između ostalog. Praktične primjene mogu naići na probleme kao što su začepljenje punila, aglomeracija i starenje. U uslovima niskih-temperatura, formiranje biofilma na MBBR punilima je sporije, potencijalno produžavajući periode pokretanja opreme, ometajući normalan rad procesa, što rezultira slabom otpornošću na udarno opterećenje i nemogućnošću postizanja očekivanih efekata tretmana. Industrijski korišćeni MBBR suspendovani nosači variraju po veličini i obliku i napravljeni su od visokomolekularnih polimera kao što su polietilen visoke -polietilena (HDPE), polietilen (PE) ili polipropilen (PP) metodama kao što su ekstruzija taline ili granulacija. Sa velikom-inženjerskom primjenom ovog procesa, raznolikost komercijalnih prijevoznika se postepeno povećava. Dizajn i obrada nosača mogu biti prilagođeni kvalitetu vode i karakteristikama rasta mikroba, omogućavajući ciljanu optimizaciju i poboljšanje za poboljšanje MBBR sistema biofilma u uslovima niskih{10}}temperatura. U praktičnim primjenama, modifikacije nosača se prvenstveno fokusiraju na poboljšanje specifične površine, hidrofilnosti, bio{12}}afiniteta, magnetnih svojstava, itd., kako bi se poboljšao prijenos mase nosača, formiranje biofilma i učinak tretmana otpadnih voda.
2.1 Magnetno opterećenje
Trenutna istraživanja su istraživala korištenje magnetnih polja za optimizaciju kapaciteta MBBR-a za tretman otpadnih voda na niskim temperaturama.Magnetna polja određene jačine mogu poboljšati uklanjanje zagađivača u procesima biološke obrade. Pod slabim magnetskim poljima, organski zagađivači se obogaćuju na površini magnetnih bioloških nosača putem magnetske agregacije i adsorpcije, uz pomoć magnetnih sila, Lorentzovih sila i magneto{1}}koloidnih efekata. Unutar odgovarajućeg raspona intenziteta, magnetna polja mogu poboljšati mikrobno korištenje kisika, poboljšati metabolizam rasta mikroba i aktivnost enzima, te povećati propusnost stanične membrane. Jing Shuangyi et al. proučavao komparativne efekte dodavanja magnetnih nosača [polietilena, neodimijum gvožđe, bor magnetni prah (Nd₂Fe₁₄B) i polikvaternij-10 (PQAS-10), itd.] u odnosu na komercijalne nosače u MBBR reaktorima. Rezultati su pokazali da u uslovima niske{12}}temperature, magnetni nosači značajno poboljšavaju aktivnost nitrifikacije biofilma, promoviraju izlučivanje ekstracelularne polimerne supstance (EPS) i 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 nitrite povećane za 1,82 puta odnosno 1,05 puta, u usporedbi s komercijalnim nosačima, te su aklimatizirale i obogatile dva jedinstvena roda nitrificirajućih bakterija.
2.2 Modifikacija nosioca
Osim magnetnog opterećenja, modifikacija afiniteta tradicionalnih materijala nosača kao što je polietilen je također važan način za poboljšanje performansi formiranja biofilma punila. Sun Bo i dr. koristili nova nano suspendirana punila za tretiranje niskotemperaturne kućne otpadne vode. Na 10-12 stepeni, period formiranja biofilma za nano filere bio je kraći od 18 dana, kraći od ostalih punila, sa stopom uklanjanja COD sistema stabilnom na oko 75%, što pokazuje dobru promotivnu vrijednost. Ren Yanqiang i dr. koristili su saćaste suspendirane punilice napravljene od materijala od visoko hidrofilnih polimernih legura za tretiranje efluenta iz primarnog taložnika postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda u uslovima niskih{10}}temperatura. Rezultati su pokazali da su ovi suspendirani punioci efikasno poboljšali kapacitet vezivanja površinski-aktivnih mikroorganizama, pomažući u poboljšanju efekata tretmana MBBR procesa. Han Xiaoyun i dr. koristila meku poliuretansku pjenu sa razvijenom strukturom pora kao imobilizirani nosač za fiksiranje efikasne hladno{15}}tolerantne mikrobne zajednice odvojene od aktivnog mulja. Nakon dodavanja ovog punila u reaktor, efekti tretmana zagađivača su značajno poboljšani, sa stopom uklanjanja COD-a od 82% i brzinom uklanjanja biohemijske potražnje za kiseonikom (BOD) od 92% pod niskim-uslovima temperature. Chen et al. koristio je MBBR proces s polivinil alkoholnim (PVA) gel punilom inokuliranim bakterijama HN-AD za tretiranje otpadnih voda iz uzgoja stoke i peradi umjesto aktivnog mulja. Pod različitim omjerima ugljika-na-azota (C/N), performanse različitih nosača značajno su varirale. Porozna struktura PVA gela pruža zaštitu bakterijama, što rezultira stabilnijim performansama. Mikrobna analiza je pokazala da je MBBR proces sa PVA gel nosačima pogodovao rastu autotrofnih bakterija i HN-AD bakterija (Paracoccus i Acinetobacter).
3. Kombinacija procesa i Regulacija MBBR na niskim temperaturama
Ovaj sistem ima jedinstvene zahtjeve za formiranje biofilma na površinama punila, naglašavajući važnost kombinacije procesa i regulacije. Stabilna nitrifikacija u MBBR može se postići regulacijom procesnih parametara i omjera; kompenzacija efekata niske temperature putem strožih ograničenja je relativno direktan i efikasan metod.
3.1 Aeracija
MBBR proces se trenutno uglavnom primjenjuje u aerobnim okruženjima. Brzina i način aeracije u reaktoru direktno utiču na sadržaj rastvorenog kiseonika (DO) u sistemu i karakteristike formiranja biofilma, čime utiču na nivo razgradnje zagađujućih materija. Chen Long i saradnici, tokom tretmana industrijskih otpadnih voda, efikasno su rješavali poteškoće u formiranju biofilma koristeći mjere kao što je šaržna aeracija, postižući stopu uklanjanja COD-a od 95,5% i stopu uklanjanja amonijačnog azota od 91%. Persson et al. koristio MBBR za tretiranje mješovite otpadne vode kuhinjskog otpada i crne vode nakon anaerobnog predtretmana na 10 stepeni, postižući potpunu nitrifikaciju povremenom aeracijom. Bian et al. otkrili su da kontrola konstantnog omjera između DO i ukupne koncentracije amonijačnog dušika optimizira efekte efluenta na niskim temperaturama; kada kontrolni odnos nije prelazio 0,17, proces nitrifikacije je ostao stabilan na 6 stepeni.
3.2 Odnos ugljika{1}}prema-azota (C/N)
Postoji očigledna konkurencija između nitrificirajućih i heterotrofnih bakterija; stoga regulacija C/N postaje važan parametar koji utiče na ravnotežu između organske materije i razgradnje azota u sistemu. Chen et al. pokazalo je da je u MBBR sistemima, kada je C/N između 4-15, stopa uklanjanja COD bila iznad 90%. Kada se C/N smanjio na 1, stopa uklanjanja COD-a je značajno opala. Efikasnost uklanjanja amonijačnog azota sistema se prvo povećala, a zatim smanjila sa smanjenjem C/N. Chen et al. istraživao utjecaj C/N na performanse A/O-MBBR reaktora koji tretira otpadne vode marikulture.Rezultati su pokazali da smanjenje C/N je korisno za poboljšanje efikasnosti uklanjanja COD-a i amonijačnog azota.
3.3 Hidraulično vrijeme zadržavanja
Hidraulično vrijeme zadržavanja (HRT) određuje opterećenje aktivnog mulja unutar reakcionog sistema. Previsoka ili preniska HRT može uticati na efikasnost tretmana i troškove izgradnje/operativnosti MBBR sistema. Odabir razumnog HRT-a je ključan za stabilan rad sistema. Van et al. primjenjuju se MBBR za kontrolu zagađenja iz poljoprivredne vrste bez -tačkastih izvora na niskim temperaturama. Istraživanja su pokazala da je na 5 stepeni, kako se HRT smanjio, efikasnost uklanjanja zagađivača značajno opala, pri čemu je 8 sati minimalno vrijeme zadržavanja da bi se osigurala denitrifikacija nitrata u plinoviti dušik. Wang Chuanxin et al. tretirane kućne otpadne vode sa anoksičnim/aerobnim biofilm sistemom, fokusirajući se na karakteristike istovremene nitrifikacije i denitrifikacije u MBBR na niskim temperaturama. Rezultati su pokazali da se sistem dobro prilagodio sezonskim padovima temperature tako što je produžio HRT, stabilizirajući efluent COD i koncentracije amonijačnog dušika kako bi zadovoljio standarde. Shitu je koristio novo spužvasto punilo kao nosač MBBR biofilma za proučavanje njegovog učinka tretmana vode na različitim HRT-ovima. Rezultati su pokazali da je učinak tretmana vode bio najbolji pri HNL-u od 6 h. Zhao Wenbin i dr. pokazalo je da je optimalna HRT za uklanjanje zagađivača u otpadnim vodama pomoću MBBR sistema pod niskim-uvjetima temperature 24 h. Han Lei i dr. proučavao je brzinu uklanjanja zagađivača kada je HRT smanjen sa 15,4 h na 11,0 h u kombinovanom procesu DE oksidacije + MBBR. Rezultati su pokazali da kako se HRT skraćivao, efikasnost uklanjanja zagađivača postupno se smanjivala, ali kvalitet otpadnih voda i dalje može zadovoljiti ciljne zahtjeve za kvalitetom vode, što odražava jaku otpornost na udarno opterećenje MBBR sistema.
3.4 Kombinacija procesa
Deng Rui i dr. proučavao je dvostepeni A/O-MBBR proces za tretman komunalnih otpadnih voda. U uslovima niske temperature vode i niske koncentracije uticaja, ovaj kombinovani proces je pokazao snažnu otpornost na udarno opterećenje i temperaturnu prilagodljivost, stabilan rad i praktičan rad, pokazujući dobre izglede za primenu u tretmanu otpadnih voda. Luostarinen et al. proučavali su efekte tretmana MBBR procesa na otpadne vode mliječnih proizvoda nakon anaerobnog prethodnog tretmana na niskim temperaturama. Rezultati su pokazali da proces može ukloniti 40%-70% COD, 50%-60% dušika, a kombinacija Upflow Anaerobic Blanket (UASB) i MBBR može ukloniti 92% COD, 99% BPK i 65%-70% dušika. Ru Chun et al. koristio je modificirani Bardenpho-MBBR + proces taloženja s magnetnim opterećenjem za renoviranje postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda. Prilagođavanjem tačaka doziranja izvora ugljika i implementacijom više-točaka uticaja i više-refluksa u sistemu, postignuto je efikasno korištenje vanjskih izvora ugljika, osiguravajući efekte nitrifikacije i denitrifikacije na 8,7 stepeni, sa stabilnim kvalitetom efluenta boljim od standarda ispuštanja.
Zaključak
U uslovima niske{0}}temperature, mikrobna aktivnost u MBBR sistemima se smanjuje i postoji očigledna konkurencija između heterotrofnih mikroorganizama koji tretiraju organsku materiju i autotrofnih mikroorganizama koji tretiraju amonijačni azot. Stoga, na osnovu sastava zagađivača sirove vode i zahtjeva indikatora efluenta, treba u potpunosti razmotriti odgovarajući C/N. Mjere kao što su poboljšanje i aklimatizacija niskotemperaturnih dominantnih sojeva, ciljano obogaćivanje i povećanje brojnosti dominantnih populacija na nosiocima trebaju se implementirati za ključne indikatore kako bi se osigurao kvalitet otpadnih voda.
Poboljšanje nosača je važno sredstvo za poboljšanje niske-tolerancije na temperaturu MBBR sistema i poboljšanje efikasnosti degradacije procesa. Specifične mjere uglavnom uključuju magnetsko opterećenje i strukturnu obradu nosača. Magnetno opterećenje može poboljšati vezivanje nitrificirajućih bakterija na niskim temperaturama, ojačati proces lučenja EPS-a i poboljšati aktivnost bakterija; optimiziranje strukture nosača i površinskih svojstava može ubrzati efikasnost prijenosa mase zagađivača, poboljšati njihovu sposobnost učvršćivanja i zaštite mikrobnih zajednica i održati stabilnije performanse sistema.
Sam MBBR proces posjeduje određene karakteristike otpornosti na niske{0}}temperature. Međutim, uz kontinuirano poboljšanje standarda kvaliteta efluenta za postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda, prilagođavanje radnih uvjeta i kombinacija procesa MBBR u uvjetima niskih-temperatura postali su važan istraživački sadržaj za napredak u procesu. Za različite vrste otpadnih voda, optimalne uslove rada treba odrediti na osnovu stvarnih situacija. U međuvremenu, razumne kombinacije procesa mogu efikasno povećati otpornost na udarno opterećenje, temperaturnu prilagodljivost i stabilnost sistema MBBR sistema prema zagađivačima.