Jako ostřílený prodejce v odvětví úpravy vody jsem nadšený, že mohu sdílet poznatky o technologii biofilmového reaktoru pro pohyblivé postele (MBBR), vysoce účinnou metodu čištění odpadních vod známé pro jeho nízký objem kalů a jednoduchý provoz. V tomto článku se ponoříme do toho, proč se biofilm někdy na médiu MBBR nevodí, s ohledem na různé aspekty, jako je pracovní princip systému a faktory ovlivňující tvorbu biofilmu.
Princip procesu MBBR
Média MBBR umožňují mikroorganismy připevnit se k povrchu nosiče a tvořit biofilm. Když odpadní voda protéká povrchem nosiče, organická hmota a rozpuštěná kyslík ve vodě difundu do biofilmu. Mikroorganismy v biofilmu metabolizují a asimilují organickou hmotu v přítomnosti kyslíku. Produkty rozkladu se poté difundují zpět do vodní fáze a vzduchu, což účinně degraduje organické znečišťující látky v odpadní vodě.
Podle Characklis, Liu a dalších, tvorba mikrobiálního filmu obvykle prochází čtyřmi stádii: modifikace povrchu nosiče, reverzibilní připojení, nevratné připojení a tvorba biofilmu. Tento proces lze rozdělit do dvou hlavních fází: mikrobiální adsorpce a růst sekvestrace.
Faktory ovlivňující tvorbu biofilmu v MBBR
1. Vlastnosti povrchu nosiče
Povrchový náboj, drsnost, velikost částic a koncentrace nosiče MBBR přímo ovlivňují připojení a tvorbu biofilmu. Mikroorganismy mají obvykle na svém povrchu negativní náboj za normálních růstových podmínek. Povrch drsného nosiče usnadňuje bakteriální připojení a imobilizaci.
♦ Větší povrchová plocha nosiče zvyšuje účinnou kontaktní plochu mezi bakteriemi a nosičem ve srovnání s hladkým povrchem.
♦ Hrubé části povrchu nosiče, jako jsou otvory a trhliny, působí jako štít, aby chránily přilnavé bakterie před hydraulickými smykovými silami.
Menší nosiče velikosti částic s větší pravděpodobností vytvářejí biofilmy kvůli jejich nízkému vzájemnému tření a velké specifické povrchové ploše. Koncentrace nosiče je také zásadní pro tvorbu biofilmu. Wagner zjistil, že při velmi nízkých koncentracích nosiče, a to ani u silného biofilmu, nebylo možné dosáhnout stabilní rychlosti odstranění při léčbě refrakterní odpadní vody. Avšak při koncentraci nosiče 20-30 g/l mohl reaktor dosáhnout stabilní rychlosti odstranění, i když pouze 20% nosičů s tenkým biofilmem.
2. suspendované mikrobiální koncentrace
Obecně platí, že se koncentrace suspendovaných mikroorganismů roste, zvyšuje se také šance na kontakt mezi mikroorganismy a nosičem. Během mikrobiálního připojení existuje kritická koncentrace suspendovaných mikroorganismů. Před touto kritickou hodnotou je kontrolním krokem mikrobiální transport a difúze z kapalné fáze na povrch nosiče. Jakmile je tato hodnota překročena, mikrobiální připojení a imobilizace na povrchu nosiče jsou omezeny účinnou povrchovou plochou nosiče a již nejsou závislé na koncentraci suspendovaných mikroorganismů.
3. Aktivita suspendovaných mikroorganismů
Mikrobiální aktivita popsaná specifickou rychlostí růstu (μ) je zásadní při studiu počátečních fází tvorby biofilmu. Množství a počáteční rychlost připojení a fixace nitrifikačních bakterií na povrchu nosiče jsou úměrné aktivitě suspendovaných nitrifikačních bakterií.
♦ Když je biologická aktivita suspendovaných mikroorganismů vysoká, jejich schopnost vylučovat extracelulární polymery je také vyšší.
♦ Hladina energie, při které žijí mikroorganismy, přímo souvisí s mírou růstu.
♦ Povrchová struktura mikroorganismů se liší podle jejich aktivity.
♦ Hrají také faktory, jako je mikrobiální doba kontaktu s nosičem, doba retenční hydraulické retenční doba (HRT), pH kapalinové fáze a hydrodynamická smyková síla.
Ovlivňující faktory během procesu tvorby biofilmu MBBR
1. Force v procesu tvorby biofilmu
Tyto síly přímo přispívají k interakci mezi mikroorganismy a povrchem nosiče a hrají klíčovou roli v celém procesu tvorby biofilmu.
2. Účinek hydrofility povrchu nosiče
Povrch nosiče GPUC obsahuje hydrofilní skupiny jako -OH a amidové skupiny. Většina mikroorganismů má dobrou hydrofilitu a povrch nosiče a povrch mikroorganismu může tvořit struktury vodíkové vazby. Volná energie povrchu hydrofilního nosiče je nižší než energie hydrofobního, což usnadňuje mikroorganismům ve vodě přiblížit se a adsorbujte na povrch hydrofilního nosiče pro růst.
3. Účinek teploty při tvorbě biofilmu
Vhodný teplotní rozsah pro aerobní mikroorganismy je 10 ~ 35 stupňů. Teplota vody významně ovlivňuje růst nitrifikačních bakterií a rychlost nitrifikace. Optimální růstová teplota pro většinu nitrifikačních bakterií je 25 ~ 30 stupňů. Když je teplota pod 25 stupňů nebo nad 30 stupňů, růst nitrifikačních bakterií zpomaluje a pod 10 stupňů se jejich růst a nitrifikace významně zpomalují.
Testy provedené při 10 stupních, 20 stupňů a 35 stupňů ukázaly, že při 10 stupních začala tvorba biofilmu pomalu, s znatelným připojením biofilmu po 7 dnech a zrání po 21 dnech, s maximální připojenou biomasou 2,1 g/l. Při 35 stupních se biofilm začal tvořit po 4 dnech a vyzrál asi po 19 dnech, s maximálním připojeným množstvím biofilmu 3,5 g/l. Při 20 stupních se biofilm začal tvořit po 2 dnech a dosáhl maximálního připojeného množství biofilmu 5,7 g/l po asi 10 dnech. Je zřejmé, že teplota má významný dopad na tvorbu biofilmu, s rychlejším zahájením mezi 15-30 stupně.
Teplota je klíčovým faktorem ovlivňujícím biologickou aktivitu a metabolickou kapacitu, což ovlivňuje proces nitrifikační reakce hlavně prostřednictvím vzoru růstu a biologické aktivity nitrifikačních bakterií. Ovlivňuje rychlost biochemické reakce a rychlost přenosu kyslíku.
4. Účinek povrchové plochy specifické pro noséře a drsnosti povrchu na výkonu adheze biofilmu
Velká specifická povrchová plocha a drsnost zvyšují schopnost nosiče zachytit mikroorganismy. Nosiče s vysokou drsností povrchu mají silnější schopnost redistribuovat průtok vody, snižovat smykovou sílu na biofilmu a poskytovat příznivé prostředí pro míchání a kontakt mezi mikroorganismy a substrátem. Hrubý povrch má silnější laminární hraniční vrstvu než hladký povrch, který nabízí dobré statické hydrodynamické prostředí a zabrání nepříznivým účinkům střihu vody na růst připojených mikroorganismů.