Прогрес досліджень щодо функціонування процесу та застосування MBBR Системи при низьких температурах
Огляд
Процес біоплівкового реактора з рухомим шаром (MBBR) є однією з широко використовуваних технологій очищення стічних вод з біоплівки в даний час. Порівняно зі звичайними процесами з активним мулом, MBBR пропонує такі переваги, як ефективна якість стоків, висока стійкість до ударних навантажень і відсутність вимоги до повернення мулу або зворотного промивання. У період низьких{2}}температур взимку, особливо в північних регіонах і на південно-західних плато, температура повітря може легко опускатися нижче 5 градусів, а температура води — нижче 15 градусів. Низькі температури можуть призвести до не-відповідності таких показників стічних вод, як хімічне споживання кисню (ХПК), аміачний азот і загальний азот у системах MBBR. Видалення азоту з біоплівки включає аеробну нітрифікацію та безкисневу денітрифікацію, а температура є одним із ключових факторів, що впливають на ці процеси. Зі зниженням температури швидкість нітрифікації бактерій у системах з активним мулом поступово знижується, зі значним зниженням здатності до нітрифікації, коли температура падає нижче 8 градусів. У цій статті систематично розглядається робота процесів MBBR за умов низької -температури з таких аспектів, як мікробні спільноти, технології покращення носіїв, а також комбінації процесів і маніпуляції, надаючи посилання для подальших досліджень і застосування.
1. Дослідження мікробних спільнот у низько-температурних системах MBBR
В даний час основним процесом на очисних спорудах є біологічне очищення.Низькі температури взимку (менше або дорівнюють 15 градусам) пригнічують діяльність нітрифікуючих бактерій у біореакторах, впливаючи на процес нітрифікації та обмежуючи здатність системи видаляти азот. Нітрифікуючі бактерії є автотрофними з тривалими циклами генерації та чутливі до змін температури, з оптимальним температурним діапазоном росту 20–35 градусів.
1.1 Мікробна діяльність
Біоплівки в реакторах MBBR ростуть, прикріплені до поверхонь носіїв, підтримуючи ріст мікроорганізмів із тривалими циклами генерації, тим самим збільшуючи вміст нітрифікуючих бактерій у системі. Порівняно з процесами активного мулу, MBBR демонструє вищу ефективність нітрифікації за низьких температур, що робить його широко використовуваним для низькотемпературного очищення стічних вод. Низька температура є одним із важливих факторів навколишнього середовища, що впливає на ефективність нітрифікації цього реактора. Зниження температури призводить до зниження текучості клітинної мембрани та ферментативного каталізу, зниження транспорту матеріалу та швидкості метаболізму, тим самим впливаючи на стабільність вторинних структур нуклеїнових кислот і пригнічуючи реплікацію ДНК, транскрипцію мРНК і трансляцію. Коли температура падає нижче точки замерзання цитоплазми, у клітинах утворюються кристали льоду, що спричиняє серйозні структурні пошкодження. Дослідження Qiu Tian та ін. показав, щоактивність окислення аміаку та окислення нітритів біоплівки MBBR при 10 градусах становила 55% і 56% від показників при 20 градусах відповідно. Чжен Чжіцзя та ін. випробували швидкості нітрифікації активного мулу встанція очищення стічних вод влітку (20 градусів) і взимку (8 градусів), виявивши, що швидкість нітрифікації аміачного азоту при 8 градусах становила 48,5% від показника при 20 градусах. Вплив низької температури на нітрифікаційну здатність біохімічних резервуарів включає два аспекти: по-перше, низька температура впливає на активність спільнот нітрифікуючих бактерій, а по-друге, тривалі низькі температури зменшують популяцію нітрифікуючих бактерій в активному мулі.
1.2 Конкурс мікробної спільноти
Оскільки нітрифікуючі бактерії є автотрофними, інші мікробні спільноти значно впливають на процес нітрифікації та сильно конкурують з нітрифікуючими бактеріями. Houweling та ін. провели експерименти процесу MBBR, показавши, що при 4 градусі MBBR має певний потенціал нітрифікації, але надмірний ріст гетеротрофних мікроорганізмів у системі певною мірою зменшує швидкість нітрифікації. Шао Шухай та ін. вказали, що ефект видалення азоту одно-ступеневої MBBR не є ідеальним через конкуренцію між нітрифікуючими та гетеротрофними бактеріями. Хань Веньцзе та ін. досліджували зміни мікробного співтовариства та закономірності біологічного розподілу на очисних спорудах з використанням гібридних процесів MBBR протягом низьких{8}}температурних сезонів, виявивши, що кількість мікробних видів у зважених біоплівках-носіях була нижчою, ніж в активному мулі з тієї ж системи, з нерівномірним розподілом видів. Додавання суспензійних носіїв посилювало різноманітність мікробів у системі, тоді як режими впливу та роботи мали певну вибірковість щодо складу мікробної спільноти. Ву Хан та ін. змодельоване очищення побутових стічних вод з використанням трьох послідовних реакторів MBBR періодичної дії з різними типами наповнювача. Поступово знижуючи температуру (25, 20, 15, 10, 6 і 5 градусів) для культивування та акліматизації біоплівок для стічних вод із низькою{19}}температурою, вони виявили, що в трьох реакторах домінують різні мікроорганізми. Результати-високопродуктивного секвенування показали, що при 5 градусах мікроорганізми, що розкладають органічні речовини, переважали в усіх трьох реакторах; один реактор успішно акліматизував і збагатив психрофільні нітрифікуючі бактерії, тоді як інші два мали більшу кількість азот-фіксуючих бактерій, несприятливих для видалення азоту.
1.3 Акліматизація психрофільних мікроорганізмів
Технологія покращення акліматизації та збагачення для-домінантних мікробних спільнот при низьких температурахє ефективним методом підвищення ефективності роботи та стабільності MBBR в умовах низьких-температур. Завдяки прогресивній індукції та оптимізованому культивуванню домінуючі популяції відсіваються та застосовуються, використовуючи сильну толерантність мікробних спільнот для зменшення впливу низьких температур, пропонуючи довго-потенціал стабільності. Ван Дан та ін. виявили, що за умов низьких{5}}температур взимку додавання активного мулу, що містить -стійкі до холоду мікробні спільноти для отримання симбіотичного гібридного біореактора з активним мулом-з біоплівкою, забезпечує такі переваги, як швидкий запуск, швидке утворення біоплівки та стабільний ефект обробки. Делатолла та ін. виявили, що декарбонізація системи при 1 градусі збільшила нітрифікуючу активну біомасу, потовщила біоплівку, ефективно збільшила кількість життєздатних клітин під час роботи при низькій -температурі та покращила ефективність нітрифікації системи. Крім того, NO, N₂H₄, NH₂OH тощо є ключовими проміжними продуктами, які стимулюють процес анаеробного окислення амонію (anammox) і пом'якшують інгібування анаммоксних бактерій NO₂. Зеккер та ін. у дослідженні очищення стічних вод із високою -концентрацією (концентрація аміачного азоту 740 мг/л) за допомогою системи MBBR виявили, що додавання NO значно прискорює процес анаммоксу, а кількість бактерій, що окислюють аміак, зростає пропорційно під час роботи системи.
2. Дослідження технологій покращення несучої для MBBR при низьких температурах
Вибір суспендованих наповнювачів MBBR є однією з основних технологій цього процесу очищення стічних вод і ключовим фактором, що впливає на ефективність процесу та витрати на техніку. Зазвичай використовувані типи наповнювачів включають стільники, напів-м’які наповнювачі та композитні наповнювачі тощо. У практичному застосуванні можуть виникнути такі проблеми, як засмічення наповнювача, агломерація та старіння. За умов низьких-температур утворення біоплівки на наповнювачах MBBR відбувається повільніше, що може подовжувати періоди запуску обладнання, перешкоджати нормальній роботі процесу, що призводить до низької стійкості до ударних навантажень і не досягає очікуваних ефектів обробки. Підвішені носії MBBR, що використовуються в промисловості, відрізняються за розміром і формою та виготовляються з високомолекулярних полімерів, таких як поліетилен високої -щільності (HDPE), поліетилен (PE) або поліпропілен (PP), за допомогою таких методів, як екструзія з розплаву або гранулювання. З широкомасштабним-технічним застосуванням цього процесу різноманітність комерційних перевізників поступово зросла. Конструкцію та обробку носія можна пристосувати до якості води та характеристик росту мікроорганізмів, забезпечуючи цілеспрямовану оптимізацію та вдосконалення для покращення систем біоплівок MBBR за умов низьких{10}}температур. У практичних застосуваннях модифікації носія головним чином зосереджені на покращенні питомої площі поверхні, гідрофільності, біо-спорідненості, магнітних властивостей тощо, щоб покращити перенесення маси носія, утворення біоплівки та продуктивність очищення стічних вод.
2.1 Магнітне навантаження
Сучасні дослідження вивчали використання магнітних полів для оптимізації здатності MBBR до очищення стічних вод за низьких температур.Магнітні поля певної сили можуть покращити видалення забруднюючих речовин у процесах біологічного очищення. У слабких магнітних полях органічні забруднювачі збагачуються на поверхні магнітних біологічних носіїв шляхом магнітної агрегації та адсорбції, якій сприяють магнітні сили, сили Лоренца та магніто-колоїдні ефекти. У відповідному діапазоні інтенсивності магнітні поля можуть покращити використання мікробами кисню, посилити метаболізм росту мікробів і активність ферментів, а також підвищити проникність клітинної мембрани. Jing Shuangyi та ін. вивчали порівняльні ефекти додавання магнітних носіїв [поліетилену, магнітного порошку неодиму, заліза, бору (Nd₂Fe₁₄B) і полікватернію-10 (PQAS-10) тощо] порівняно з комерційними носіями в реакторах MBBR. Результати показали, що за умов низьких{12}}температур магнітні носії значно покращують нітрифікаційну активність біоплівки, сприяють секреції позаклітинної полімерної речовини (EPS), а також зберігають і покращують морфологію та структуру біоплівки. Магнітні носії збагатили більше родів нітрифікуючих бактерій, причому відносна кількість бактерій, що окиснюють аміак, і бактерій, що окиснюють нітрити, зросла в 1,82 рази та 1,05 рази відповідно порівняно з комерційними носіями, а також акліматизувалися та збагатили два унікальні роди нітрифікуючих бактерій.
2.2 Модифікація оператора
Окрім магнітного навантаження, афінна модифікація традиційних матеріалів-носіїв, таких як поліетилен, також є важливим способом підвищення ефективності формування біоплівки наповнювача. Сунь Бо та ін. використовували нові наносуспензовані наповнювачі для очищення-побутових стічних вод із низькою температурою. При 10–12 градусах період утворення біоплівки для нанонаповнювачів становив менше 18 днів, коротше, ніж у інших наповнювачів, зі стабільним системним видаленням ГПК на рівні близько 75%, демонструючи хорошу цінність просування. Ren Yanqiang та ін. використовували стільникові суспендовані наповнювачі, виготовлені з високогідрофільних полімерних сплавів, для очищення стоків із первинного відстійника очисної споруди в умовах низьких -температур. Результати показали, що ці суспендовані наповнювачі ефективно покращили здатність до прикріплення поверхнево-активних мікроорганізмів, сприяючи посиленню ефектів лікування процесу MBBR. Хань Сяоюнь та ін. використовував м’яку поліуретанову піну з розвиненою пористою структурою як іммобілізований носій для фіксації ефективних холод{15}}стійких мікробних спільнот, відокремлених від активного мулу. Після додавання цього наповнювача в реактор ефективність очищення забруднюючих речовин значно покращилася, зі швидкістю видалення ХПК 82% і швидкістю видалення біохімічної потреби в кисні (БПК) 92% за умов низької -температури. Чен та ін. використовували процес MBBR із гелевим наповнювачем із полівінілового спирту (PVA), інокульованим бактеріями HN-AD, для очищення стічних вод тваринництва та птахівництва замість активного мулу. За різних співвідношень вуглецю-до -азоту (C/N) продуктивність різних носіїв значно відрізнялася. Пориста структура гелю PVA забезпечила захист від бактерій, що призвело до більш стабільної роботи. Мікробний аналіз показав, що процес MBBR з гелевими носіями PVA сприяє росту автотрофних бактерій і бактерій HN-AD (Paracoccus і Acinetobacter).
3. Комбінація процесу і Регулювання MBBR при низьких температурах
Ця система має унікальні вимоги до утворення біоплівки на поверхнях наповнювача, що підкреслює важливість поєднання процесу та регулювання. Стабільна нітрифікація в MBBR може бути досягнута шляхом регулювання параметрів процесу та співвідношень; Компенсація впливу низької температури за допомогою суворіших обмежень є відносно прямим і ефективним методом.
3.1 Аерація
Процес MBBR в даний час в основному застосовується в аеробних середовищах. Швидкість і метод аерації в реакторі безпосередньо впливають на вміст розчиненого кисню (РО) у системі та характеристики утворення біоплівки, тим самим впливаючи на рівень розкладання забруднюючих речовин. Чен Лонг та ін. під час очищення промислових стічних вод ефективно усунули труднощі утворення біоплівки за допомогою таких заходів, як періодична аерація, досягнувши рівня видалення ХПК 95,5% і рівня видалення аміачного азоту 91%. Перссон та ін. використовував MBBR для очищення змішаних стічних вод кухонних відходів і чорної води після анаеробної попередньої обробки при 10 градусах, досягаючи повної нітрифікації за допомогою періодичної аерації. Біан та ін. виявлено, що контроль постійного співвідношення між DO та загальною концентрацією аміачного азоту оптимізує вплив стічних вод за низьких температур; коли контрольне співвідношення не перевищувало 0,17, процес нітрифікації залишався стабільним при 6 градусі.
3.2 Співвідношення вуглецю-до -азоту (C/N)
Існує очевидна конкуренція між нітрифікуючими та гетеротрофними бактеріями; отже, регулювання C/N стає важливим параметром, що впливає на баланс між розпадом органічної речовини та азоту в системі. Чен та ін. показали, що в системах MBBR, коли C/N був між 4–15, швидкість видалення COD була вище 90%. Коли C/N знизився до 1, швидкість видалення COD значно впала. Ефективність видалення аміачного азоту в системі спочатку зросла, а потім знизилася зі зниженням C/N. Чен та ін. досліджували вплив C/N на продуктивність реактора A/O-MBBR для очищення стічних вод марикультури.Результати показали, що зниження C/N є вигідно для покращення ХПК та ефективності видалення аміачного азоту.
3.3 Гідравлічний час утримання
Час гідравлічного утримання (HRT) визначає навантаження активного мулу в реакційній системі. Занадто високий або занадто низький HRT може вплинути на ефективність лікування та витрати на будівництво/експлуатацію систем MBBR. Вибір прийнятної ЗГТ має вирішальне значення для стабільної роботи системи. Ван та ін. застосований MBBR для сільськогосподарського не{4}}точкового контролю забруднення за низьких температур. Дослідження показали, що при 5 градусах, коли HRT знижується, ефективність видалення забруднюючих речовин значно знижується, причому 8 годин є мінімальним часом утримування для забезпечення денітрифікації нітратів до азоту. Wang Chuanxin та ін. очищені побутові стічні води з безкисневою/аеробною системою біоплівки, зосереджуючись на характеристиках одночасної нітрифікації та денітрифікації в MBBR за низьких температур. Результати показали, що система добре адаптувалася до сезонних перепадів температури завдяки продовженню HRT, стабілізації ХПК у стічних водах і концентрації аміачного азоту відповідно до стандартів. Shitu використовував новий губчастий наповнювач як носій біоплівки MBBR, щоб вивчити його ефект очищення води при різних HRT. Результати показали, що ефект лікування водою був найкращим при ЗГТ 6 год. Чжао Веньбінь та ін. показали, що оптимальна HRT для видалення забруднюючих речовин у стічних водах системами MBBR за умов низької -температури становила 24 години. Хан Лей та ін. досліджували швидкість видалення забруднюючих речовин, коли HRT було зменшено з 15,4 год до 11,0 год у комбінованому процесі окислювальної канави DE + MBBR. Результати показали, що зі скороченням HRT ефективність видалення забруднюючих речовин поступово знижувалася, але якість стоків все ще могла відповідати цільовим вимогам щодо якості води, що відображає високу стійкість системи MBBR до ударного навантаження.
3.4 Комбінація процесу
Deng Rui та ін. вивчав дво{1}}процес A/O-MBBR для очищення муніципальних стічних вод. В умовах низької температури води та низької концентрації потоку цей комбінований процес продемонстрував сильну стійкість до ударних навантажень і адаптивність до температури, стабільну та зручну роботу, демонструючи хороші перспективи застосування в очищенні стічних вод. Луостаринен та ін. вивчали вплив процесу MBBR на стічні води молочних заводів після анаеробної попередньої обробки при низьких температурах. Результати показали, що процес може видалити 40%–70% COD, 50%–60% азоту, а комбінація анаеробної осаду з висхідним потоком (UASB) і MBBR може видалити 92% COD, 99% BOD і 65%–70% азоту. Ru Chun та ін. використав модифікований процес осадження Bardenpho-MBBR + магнітне навантаження для реконструкції очисної станції. Завдяки регулюванню точок дозування джерела вуглецю та реалізації багато{20}}точкового притоку та багато{21}}точкового рефлюксу в системі було досягнуто ефективного використання зовнішніх доданих джерел вуглецю, забезпечуючи ефекти нітрифікації та денітрифікації при 8,7 градусах, зі стабільною якістю стоків, кращою за стандарти скидання.
Висновок
В умовах низьких-температур мікробна активність у системах MBBR знижується, і існує очевидна конкуренція між гетеротрофними мікроорганізмами, які обробляють органічні речовини, та автотрофними мікроорганізмами, які обробляють аміачний азот. Таким чином, на основі складу забруднювачів сирої води та вимог до показників стічних вод слід повністю враховувати відповідний C/N. Такі заходи, як поліпшення та акліматизація домінантних штамів при низьких-температурах, цілеспрямоване збагачення та збільшення чисельності домінантних популяцій на носіях повинні бути реалізовані для ключових індикаторів, щоб забезпечити якість стоків.
Покращення несучої є важливим засобом покращення низьких-температурних стійкостей систем MBBR і підвищення ефективності погіршення процесу. Конкретні заходи в основному включають магнітне навантаження та структурну обробку носіїв. Магнітне навантаження може посилити прикріплення нітрифікуючих бактерій при низьких температурах, посилити процес секреції EPS і покращити бактеріальну активність; оптимізація структури носія та властивостей поверхні може прискорити ефективність масообміну забруднюючих речовин, покращити їхню здатність твердіти та захищати мікробні спільноти та підтримувати більш стабільну продуктивність системи.
Сам процес MBBR має певні -характеристики стійкості до низьких температур. Однак із постійним вдосконаленням стандартів якості стоків для очисних споруд коригування робочих умов і поєднання процесу MBBR за умов низьких-температур стали важливим дослідженням для прориву процесу. Для різних типів стічних вод оптимальні умови роботи слід визначати виходячи з реальних ситуацій. Тим часом розумні комбінації процесів можуть ефективно підвищити стійкість до ударних навантажень, температурну адаптацію та стійкість систем MBBR до забруднюючих речовин.