Pokrok ve výzkumu provozu procesu a aplikace MBBR Systémy při nízkých teplotách
Přehled
Proces biofilmového reaktoru s pohyblivým ložem (MBBR) je v současnosti jednou z široce používaných technologií čištění odpadních vod s biofilmem. Ve srovnání s konvenčními procesy s aktivovaným kalem nabízí MBBR výhody, jako je efektivní kvalita odpadních vod, silná odolnost vůči rázovému zatížení a žádné požadavky na vracení kalu nebo zpětné proplachování. Během období nízkých-teplot v zimě, zejména v severních oblastech a na jihozápadních náhorních plošinách, mohou teploty vzduchu snadno klesnout pod 5 stupňů a teplota vody může klesnout pod 15 stupňů . Nízké teploty mohou vést k-nedodržení ukazatelů odpadních vod, jako je chemická spotřeba kyslíku (CHSK), amoniakální dusík a celkový dusík v systémech MBBR. Odstranění biofilmového dusíku zahrnuje aerobní nitrifikaci a anoxickou denitrifikaci a teplota je jedním z klíčových faktorů ovlivňujících tyto procesy. S klesajícími teplotami rychlost nitrifikace bakterií v systémech s aktivovaným kalem postupně klesá, s výrazným snížením nitrifikační kapacity, když teploty klesnou pod 8 stupňů. Tento článek systematicky rozvádí fungování procesů MBBR za nízkých{11}}teplotních podmínek z aspektů, jako jsou mikrobiální komunity, technologie pro vylepšení nosičů a kombinace a manipulace procesů, a poskytuje odkazy pro další výzkum a aplikace.
1. Výzkum mikrobiálních komunit v nízkoteplotních-systémech MBBR
V současnosti je hlavním procesem v čistírnách odpadních vod biologické čištění.Nízké teploty v zimě (méně než nebo rovné 15 stupňům) inhibují aktivitu nitrifikačních bakterií v bioreaktorech, ovlivňují proces nitrifikace a omezují kapacitu systému odstraňovat dusík. Nitrifikační bakterie jsou autotrofní s dlouhými generačními cykly a jsou citlivé na změny teploty, s optimálním růstovým teplotním rozsahem 20–35 stupňů.
1.1 Mikrobiální aktivita
Biofilmy v reaktorech MBBR rostou připojené k povrchům nosičů, podporují růst mikroorganismů s dlouhými generačními cykly, čímž se zvyšuje obsah nitrifikačních bakterií v systému. Ve srovnání s procesy s aktivovaným kalem vykazuje MBBR silnější nitrifikační výkon při nízkých teplotách, díky čemuž je široce používán při nízkoteplotním-čištění odpadních vod. Nízká teplota je jedním z důležitých environmentálních faktorů ovlivňujících nitrifikační výkon tohoto reaktoru. Snížení teploty vede ke snížení fluidity buněčné membrány a enzymové katalýze, snížení transportu materiálu a rychlosti metabolismu, čímž se ovlivňuje stabilita sekundárních struktur nukleových kyselin a inhibuje se replikace DNA, transkripce a translace mRNA. Když teploty klesnou pod cytoplazmatický bod mrazu, tvoří se v buňkách ledové krystaly, které způsobují vážné strukturální poškození. Studie Qiu Tian et al. to ukázalaktivity oxidace amoniaku a oxidace dusitanů MBBR biofilmu při 10 stupních byly 55 % a 56 % aktivit při 20 stupních.. Zheng Zhijia a kol. testoval rychlosti nitrifikace aktivovaného kalu včistírna odpadních vod v létě (20 stupňů) a v zimě (8 stupňů), přičemž bylo zjištěno, že rychlost nitrifikace amoniakálního dusíku při 8 stupních byla 48,5 % oproti 20 stupňům. Vliv nízké teploty na nitrifikační kapacitu biochemických nádrží zahrnuje dva aspekty: za prvé nízká teplota ovlivňuje aktivitu společenstev nitrifikačních bakterií a za druhé dlouhodobě nízké teploty snižují populaci nitrifikačních bakterií v aktivovaném kalu.
1.2 Konkurence mikrobiálních komunit
Jelikož jsou nitrifikační bakterie autotrofní, další mikrobiální společenstva významně ovlivňují proces nitrifikace a silně konkurují nitrifikačním bakteriím. Houweling a kol. provedli procesní experimenty MBBR, které ukázaly, že při 4 stupních má MBBR určitý nitrifikační potenciál, ale nadměrný růst heterotrofních mikroorganismů v systému do určité míry snižoval rychlost nitrifikace. Shao Shuhai a kol. naznačili, že efekt odstraňování dusíku jednostupňovým MBBR{5}}není ideální kvůli konkurenci mezi nitrifikačními a heterotrofními bakteriemi. Han Wenjie a kol. studovali změny mikrobiální komunity a vzorce biologické distribuce v čistírně odpadních vod pomocí hybridních procesů MBBR během nízkých-teplotních období a zjistili, že počet mikrobiálních druhů v suspendovaných nosných biofilmech byl nižší než počet v aktivovaném kalu ze stejného systému s nerovnoměrnou distribucí druhů. Přidání suspendovaných nosičů zvýšilo mikrobiální diverzitu v systému, zatímco přítokové a provozní režimy měly určitou selektivitu na složení mikrobiální komunity. Wu Han a kol. simulované čištění domovních odpadních vod pomocí tří sekvenčních vsádkových reaktorů MBBR s různými typy náplní. Postupným snižováním teplot (25, 20, 15, 10, 6 a 5 stupňů) za účelem kultivace a aklimatizace biofilmů pro nízkoteplotní odpadní vody zjistili, že ve třech reaktorech dominují různé mikroorganismy. Výsledky sekvenování s vysokou{21}}propustností ukázaly, že při 5 stupních převládaly ve všech třech reaktorech mikroorganismy degradující organickou hmotu; jeden reaktor úspěšně aklimatizoval a obohatil psychrofilní nitrifikační bakterie, zatímco další dva měly vyšší množství bakterií fixujících dusík- nepříznivých pro odstraňování dusíku.
1.3 Aklimatizace psychrofilních mikroorganismů
Technologie pro vylepšení aklimatizace a obohacení pro nízkoteplotní dominantní mikrobiální komunityje účinná metoda ke zlepšení provozní účinnosti a stability MBBR za nízkých-teplot. Prostřednictvím progresivní indukce a optimalizované kultivace jsou dominantní populace prověřovány a aplikovány s využitím silné tolerance mikrobiálních komunit ke snížení dopadu nízkých teplot, což nabízí dlouhodobý potenciál stability. Wang Dan a kol. zjistili, že v zimních podmínkách nízkých teplot nabízí přidání aktivovaného kalu obsahujícího mikrobiální společenstva tolerantní k chladu-k dosažení biofilmového symbiotického hybridního bioreaktoru s aktivovaným kalem-výhody, jako je rychlé spuštění, rychlá tvorba biofilmu a stabilní účinky léčby. Delatolla a kol. zjistili, že dekarbonizace systému o 1 stupeň zvýšila nitrifikační aktivní biomasu, zahustila biofilm, účinně zvýšila počet životaschopných buněk během nízkoteplotního provozu a zlepšila nitrifikační výkon systému. Kromě toho jsou NO, N2H4, NH2OH atd. klíčovými meziprodukty, které stimulují proces anaerobní oxidace amonia (anammox) a zmírňují inhibici bakterií anammox NO₂. Zekker et al. ve studii zabývající se čištěním vysoce koncentrovaných odpadních vod (koncentrace amoniakálního dusíku 740 mg/l) systémem MBBR zjistili, že přidání NO významně urychlilo proces anammox a množství bakterií oxidujících čpavek se úměrně zvýšilo během provozu systému.
2. Výzkum technologií Carrier Enhancement pro MBBR při nízkých teplotách
Výběr suspendovaných plniv MBBR je jednou ze základních technologií tohoto procesu čištění odpadních vod a klíčovým faktorem ovlivňujícím efektivitu procesu a náklady na inženýrství. Mezi běžně používané typy výplní patří mimo jiné voštinové výplně, polo-měkké výplně a kompozitní výplně. Praktické aplikace mohou narazit na problémy, jako je ucpávání plniva, aglomerace a stárnutí. Za nízkých-teplotních podmínek je tvorba biofilmu na výplních MBBR pomalejší, potenciálně prodlužuje dobu spouštění zařízení, brání normálnímu provozu procesu, má za následek špatnou odolnost proti nárazovému zatížení a nedosahuje očekávaných účinků ošetření. Průmyslově používané suspendované nosiče MBBR se liší velikostí a tvarem a jsou vyrobeny z vysokomolekulárních polymerů, jako je vysoko-hustotní polyethylen (HDPE), polyethylen (PE) nebo polypropylen (PP) pomocí metod, jako je vytlačování taveniny nebo granulace. Díky rozsáhlému-inženýrskému využití tohoto procesu se rozmanitost komerčních dopravců postupně zvyšovala. Design a zpracování nosiče lze přizpůsobit kvalitě vody a charakteristikám mikrobiálního růstu, což umožňuje cílenou optimalizaci a vylepšení pro zlepšení systémů biofilmu MBBR za nízkých{10}}teplot. V praktických aplikacích se modifikace nosičů primárně zaměřují na zlepšení specifického povrchu, hydrofilnosti, bio-afinity, magnetických vlastností atd., aby se zlepšil přenos hmoty nosiče, tvorba biofilmu a účinnost čištění odpadních vod.
2.1 Magnetické zatížení
Současný výzkum zkoumal použití magnetických polí k optimalizaci kapacity čištění odpadních vod MBBR při nízkých teplotách.Magnetická pole určité síly mohou zlepšit odstraňování znečišťujících látek v procesech biologického čištění. Při slabém magnetickém poli se organické polutanty obohacují na povrchu magnetických biologických nosičů prostřednictvím magnetické agregace a adsorpce, za pomoci magnetických sil, Lorentzových sil a magneto-koloidních efektů. V rámci vhodného rozsahu intenzity mohou magnetická pole zlepšit využití mikrobiálního kyslíku, zvýšit metabolismus mikrobiálního růstu a enzymatickou aktivitu a zvýšit permeabilitu buněčné membrány. Jing Shuangyi a kol. studovali srovnávací účinky přidání magnetických nosičů [polyethylen, magnetický prášek neodym železo-bor (Nd₂Fe₁₄B) a polyquaternium-10 (PQAS-10) atd.] oproti komerčním nosičům v reaktorech MBBR. Výsledky ukázaly, že za podmínek nízké teploty magnetické nosiče významně zlepšily aktivitu nitrifikace biofilmu, podpořily sekreci extracelulárních polymerních látek (EPS) a udržely a zlepšily morfologii a strukturu biofilmu. Magnetické nosiče obohatily více rodů nitrifikačních bakterií, přičemž relativní zastoupení bakterií oxidujících čpavek a bakterií oxidujících dusitany vzrostly 1,82krát a 1,05krát, v tomto pořadí, ve srovnání s komerčními nosiči, a aklimatizovaly a obohatily dva jedinečné rody nitrifikačních bakterií.
2.2 Úprava nosiče
Kromě magnetického zatížení je afinitní modifikace tradičních nosných materiálů, jako je polyethylen, také důležitým způsobem, jak zvýšit účinnost tvorby biofilmu plniva. Sun Bo a kol. používala nová nano suspendovaná plniva k čištění nízkoteplotní{2}}odpadní vody z domácností. Při 10–12 stupních byla doba tvorby biofilmu pro nano plniva kratší než 18 dní, tedy kratší než u jiných plniv, se systémovou mírou odstraňování CHSK stabilní kolem 75 %, což prokazuje dobrou propagační hodnotu. Ren Yanqiang a kol. používali voštinová závěsná plniva vyrobená z vysoce hydrofilních materiálů ze slitiny polymerů k čištění odpadních vod z primární sedimentační nádrže čistírny odpadních vod za nízkých{10}}teplot. Výsledky ukázaly, že tato suspendovaná plniva účinně zlepšila schopnost přichycení povrchově aktivních mikroorganismů, což napomáhá ke zvýšení léčebných účinků procesu MBBR. Han Xiaoyun a kol. použili měkkou polyuretanovou pěnu s vyvinutou strukturou pórů jako imobilizovaný nosič k fixaci účinných mikrobiálních komunit tolerantních vůči chladu, oddělených od aktivovaného kalu. Po přidání tohoto plniva do reaktoru se výrazně zlepšily účinky čištění znečišťujících látek, s mírou odstraňování CHSK 82 % a mírou odstraňování biochemické spotřeby kyslíku (BSK) 92 % za podmínek nízké teploty-. Chen a kol. použil proces MBBR s polyvinylalkoholovým (PVA) gelovým plnivem naočkovaným bakteriemi HN-AD k čištění odpadních vod z chovu hospodářských zvířat a drůbeže namísto aktivovaného kalu. Při různých poměrech uhlíku-k-dusíku (C/N) se výkon různých nosičů výrazně lišil. Porézní struktura PVA gelu poskytla ochranu bakteriím, což má za následek stabilnější výkon. Mikrobiální analýza ukázala, že proces MBBR s PVA gelovými nosiči podporuje růst autotrofních bakterií a bakterií HN-AD (Paracoccus a Acinetobacter).
3. Kombinace procesů a Regulace MBBR při nízkých teplotách
Tento systém má jedinečné požadavky na tvorbu biofilmu na površích výplní, což zdůrazňuje důležitost kombinace procesů a regulace. Stabilní nitrifikace v MBBR lze dosáhnout regulací procesních parametrů a poměrů; kompenzace účinků nízké teploty prostřednictvím přísnějších omezení je poměrně přímá a účinná metoda.
3.1 Provzdušňování
Proces MBBR se v současnosti používá hlavně v aerobních prostředích. Rychlost a způsob aerace v reaktoru přímo ovlivňují obsah rozpuštěného kyslíku (DO) v systému a charakteristiky tvorby biofilmu, čímž ovlivňují úroveň degradace znečišťujících látek. Chen Long et al. během čištění průmyslových odpadních vod účinně řešili potíže s tvorbou biofilmu pomocí opatření, jako je dávkové provzdušňování, čímž bylo dosaženo rychlosti odstranění CHSK 95,5 % a rychlosti odstranění amoniakálního dusíku 91 %. Persson a kol. používá MBBR k čištění smíšené odpadní vody z kuchyňského odpadu a černé vody po anaerobní předúpravě při 10 stupních, čímž bylo dosaženo úplné nitrifikace pomocí přerušovaného provzdušňování. Bian a kol. zjistili, že řízení konstantního poměru mezi DO a celkovou koncentrací amoniakálního dusíku optimalizovalo efekty odpadních vod při nízkých teplotách; když kontrolní poměr nepřesáhl 0,17, proces nitrifikace zůstal stabilní při 6 stupních.
3.2 Poměr uhlíku-k-dusíku (C/N)
Mezi nitrifikačními a heterotrofními bakteriemi existuje zřejmá konkurence; proto se regulace C/N stává důležitým parametrem ovlivňujícím rovnováhu mezi organickou hmotou a degradací dusíku v systému. Chen a kol. ukázaly, že v systémech MBBR, když byl C/N mezi 4–15, byla míra odstranění CHSK nad 90 %. Když se C/N snížil na 1, rychlost odstraňování CHSK výrazně klesla. Účinnost systému odstraňování amoniakálního dusíku se nejprve zvýšila a poté se snížením C/N snížila. Chen a kol. zkoumali dopad C/N na výkon A/O-MBBR reaktoru, který čistí odpadní vody z marikultury.Výsledky ukázaly, že snížení C/N je prospěšné pro zlepšení účinnosti odstraňování CHSK a amoniakálního dusíku.
3.3 Hydraulická retenční doba
Hydraulická retenční doba (HRT) určuje zatížení aktivního kalu v reakčním systému. Příliš vysoká nebo příliš nízká HRT může ovlivnit účinnost léčby a konstrukční/provozní náklady systémů MBBR. Výběr přiměřené HRT je zásadní pro stabilní provoz systému. Van a kol. aplikoval MBBR pro zemědělskou ne-bodovou kontrolu znečištění při nízkých teplotách. Výzkum ukázal, že při 5 stupních, když se HRT snížila, účinnost odstraňování znečišťujících látek výrazně klesla, přičemž 8 hodin je minimální retenční čas pro zajištění denitrifikace dusičnanů na plynný dusík. Wang Chuanxin a kol. vyčištěné domovní odpadní vody anoxickým/aerobním biofilmovým systémem se zaměřením na charakteristiky simultánní nitrifikace a denitrifikace v MBBR při nízkých teplotách. Výsledky ukázaly, že se systém dobře přizpůsobil sezónním teplotním poklesům rozšířením HRT, stabilizací COD a koncentrací amoniakálního dusíku v odpadních vodách tak, aby splňovaly normy. Shitu použil novou houbovou výplň jako nosič biofilmu MBBR ke studiu jeho účinku na úpravu vody při různých HRT. Výsledky ukázaly, že účinky úpravy vody byly nejlepší při HRT 6 hodin. Zhao Wenbin a kol. ukázaly, že optimální HRT pro odstranění znečišťujících látek v odpadních vodách pomocí systémů MBBR za nízkých-teplot je 24 hodin. Han Lei a kol. studovali míru odstraňování znečišťujících látek při snížení HRT z 15,4 h na 11,0 h v kombinovaném procesu DE oxidace + MBBR. Výsledky ukázaly, že jak se HRT zkracovala, účinnost odstraňování znečišťujících látek postupně klesala, ale kvalita odpadních vod mohla stále splňovat cílové požadavky na kvalitu vody, což odráží silnou odolnost systému MBBR proti nárazovému zatížení.
3.4 Kombinace procesů
Deng Rui a kol. studovali dvoufázový-proces A/O-MBBR pro čištění komunálních odpadních vod. V podmínkách nízké teploty vody a nízké koncentrace přítoku tento kombinovaný proces prokázal silnou odolnost proti nárazovému zatížení a teplotní adaptabilitu, stabilní provoz a pohodlný provoz, což ukazuje dobré vyhlídky na použití při čištění odpadních vod. Luostarinen a kol. studovali účinky procesu MBBR na mléčné odpadní vody po anaerobní předúpravě při nízkých teplotách. Výsledky ukázaly, že proces mohl odstranit 40 %–70 % CHSK, 50 %–60 % dusíku a kombinace Upflow Anaerob Sludge Blanket (UASB) a MBBR mohla odstranit 92 % CHSK, 99 % BSK a 65 %–70 % dusíku. Ru Chun a kol. použila k rekonstrukci čističky odpadních vod upravený proces srážení Bardenpho-MBBR + magnetické zatížení. Úpravou bodů dávkování zdroje uhlíku a implementací vícebodového přítoku a vícebodového zpětného toku do systému bylo dosaženo efektivního využití externě přidaných zdrojů uhlíku, které zajistily účinky nitrifikace a denitrifikace při 8,7 stupních se stabilní kvalitou odtoku lepší než standardy vypouštění.
Závěr
Za nízkých-teplotních podmínek mikrobiální aktivita v systémech MBBR klesá a existuje zřejmá konkurence mezi heterotrofními mikroorganismy zpracovávajícími organickou hmotu a autotrofními mikroorganismy, které zpracovávají amoniakální dusík. Na základě požadavků na složení znečišťujících látek v surové vodě a odpadních vod by proto měla být plně zvážena vhodná C/N. U klíčových ukazatelů by měla být zavedena opatření, jako je zlepšení a aklimatizace dominantních kmenů při nízkých-teplotách, cílené obohacování a zvýšení počtu dominantních populací na nosičích, aby byla zajištěna kvalita odpadních vod.
Vylepšení nosiče je důležitým prostředkem ke zlepšení nízké-teplotní tolerance systémů MBBR a zvýšení efektivity degradace procesu. Mezi konkrétní opatření patří především magnetické zatížení a konstrukční úprava nosičů. Magnetické zatížení může zlepšit uchycení nitrifikačních bakterií při nízkých teplotách, posílit proces sekrece EPS a zlepšit bakteriální aktivitu; Optimalizace struktury nosiče a vlastností povrchu může urychlit účinnost přenosu hmoty znečišťujících látek, zlepšit jejich schopnost tuhnout a chránit mikrobiální komunity a udržovat stabilnější výkon systému.
Samotný proces MBBR má určité charakteristiky odolnosti vůči nízkým{0}}teplotám. S neustále se zlepšujícími standardy kvality odpadních vod pro čistírny odpadních vod se však úprava pracovních podmínek a kombinace procesu MBBR za nízkých-teplotních podmínek staly důležitým obsahem výzkumu pro průlom v procesu. Pro různé typy odpadních vod by měly být optimální podmínky pracovních podmínek určeny na základě skutečných situací. Mezitím mohou rozumné kombinace procesů účinně zvýšit odolnost proti nárazovému zatížení, teplotní adaptabilitu a systémovou stabilitu systémů MBBR vůči znečišťujícím látkám.