Напредак истраживања о раду процеса и примени МББР Системи на ниским температурама
Преглед
Процес биофилмског реактора са покретним слојем (МББР) је тренутно једна од широко коришћених технологија за третман отпадних вода са биофилмом. У поређењу са конвенционалним процесима активног муља, МББР нуди предности као што су ефикасан квалитет ефлуента, јака отпорност на ударна оптерећења и нема потребе за враћањем муља или испирањем. Током периода ниских{2}}температура зими, посебно у северним регионима и југозападним висоравни, температуре ваздуха могу лако пасти испод 5 степени, а температуре воде испод 15 степени. Ниске температуре могу довести до не-усклађености индикатора ефлуента као што су хемијска потрошња кисеоника (ЦОД), амонијачни азот и укупни азот у МББР системима. Уклањање азота из биофилма укључује аеробну нитрификацију и аноксичну денитрификацију, а температура је један од кључних фактора који утичу на ове процесе. Како се температуре смањују, брзина нитрификације бактерија у системима активног муља постепено опада, уз значајно смањење капацитета нитрификације када температуре падну испод 8 степени. Овај чланак систематски елаборира рад МББР процеса у условима ниских{11}}температура са аспеката као што су микробне заједнице, технологије за побољшање носиоца и комбинације процеса и манипулација, пружајући референце за даља истраживања и примену.
1. Истраживање микробних заједница у МББР системима ниских{1}}
Тренутно, основни процес у постројењима за пречишћавање отпадних вода је биолошки третман.Ниске температуре зими (мање или једнаке 15 степени) инхибирају активност нитрификујућих бактерија у биореакторима, утичући на процес нитрификације и ограничавајући капацитет система за уклањање азота. Нитрификујуће бактерије су аутотрофне са дугим генерацијским циклусима и осетљиве су на температурне промене, са оптималним распоном температуре раста од 20-35 степени.
1.1 Микробна активност
Биофилмови у МББР реакторима расту везани за површине носача, подржавајући раст микроорганизама са дугим циклусима генерисања, чиме се повећава садржај нитрификујућих бактерија у систему. У поређењу са процесима са активним муљем, МББР показује јаче перформансе нитрификације на ниским температурама, што га чини широко примењеним у ниско{1}}пречишћавању отпадних вода на ниским температурама. Ниска температура је један од важних фактора животне средине који утичу на перформансе нитрификације овог реактора. Смањење температуре доводи до смањене флуидности ћелијске мембране и катализе ензима, смањеног транспорта материјала и метаболичких брзина, чиме утиче на стабилност секундарних структура нуклеинске киселине и инхибира репликацију ДНК, транскрипцију иРНК и транслацију. Када температуре падну испод тачке смрзавања у цитоплазми, кристали леда се формирају унутар ћелија, узрокујући озбиљна структурна оштећења. Студије Киу Тиан ет ал. показао даактивности оксидације амонијака и оксидације нитрита МББР биофилма на 10 степени биле су 55% и 56% оних на 20 степени, респективно. Зхенг Зхијиа и др. тестирали стопе нитрификације активног муља упостројење за пречишћавање отпадних вода лети (20 степени) и зими (8 степени), откривши да је стопа нитрификације амонијачног азота на 8 степени била 48,5% од оне на 20 степени. Утицај ниске температуре на капацитет нитрификације биохемијских резервоара обухвата два аспекта: прво, ниска температура утиче на активност заједница нитрификујућих бактерија, и друго, продужене ниске температуре смањују популацију нитрификујућих бактерија у активном муљу.
1.2 Такмичење микробне заједнице
Како су нитрификујуће бактерије аутотрофне, друге микробне заједнице значајно утичу на процес нитрификације и снажно се такмиче са нитрификујућим бактеријама. Хоувелинг ет ал. спровели експерименте МББР процеса, показујући да на 4 степена МББР има одређени потенцијал нитрификације, али је прекомерни раст хетеротрофних микроорганизама у систему донекле смањио стопу нитрификације. Схао Схухаи и др. показало је да ефекат уклањања азота једностепеног -МББР-а није идеалан због конкуренције између нитрификујућих и хетеротрофних бактерија. Хан Вењие и др. проучавали промене микробне заједнице и обрасце биолошке дистрибуције у постројењу за пречишћавање отпадних вода користећи хибридне процесе МББР током сезона ниских-температура, откривши да је број врста микроба у суспендованим биофилмовима носача мањи него у активном муљу из истог система, са неравномерном дистрибуцијом врста. Додавање суспендованих носача повећало је микробну разноликост у систему, док су утицајни и оперативни режими имали одређену селективност на састав микробне заједнице. Ву Хан и др. симулирани третман кућних отпадних вода коришћењем три узастопна шаржна МББР реактора са различитим типовима пунила. Постепеним смањењем температуре (25, 20, 15, 10, 6 и 5 степени) ради култивисања и аклиматизације биофилма за нискотемпературну отпадну воду{19}, открили су да различити микроорганизми доминирају у три реактора. Резултати секвенционирања високог{21}}пропуста показали су да су на 5 степени микроорганизми који разграђују органску материју били доминантни у сва три реактора; један реактор је успешно аклиматизовао и обогатио психрофилне нитрификационе бактерије, док су друга два имала веће количине бактерија које-фиксирају азот, неповољне за уклањање азота.
1.3 Аклиматизација психофилних микроорганизама
Технологија побољшања аклиматизације и обогаћивања за микробне заједнице са{0}доминантним ниским температурамаје ефикасан метод за побољшање оперативне ефикасности и стабилности МББР-а у условима ниских{0}температура. Кроз прогресивну индукцију и оптимизовану култивацију, доминантне популације се проверавају и примењују, користећи снажну толеранцију микробних заједница да би се смањио утицај ниских температура, нудећи дугорочни-потенцијал стабилности. Ванг Дан и др. открили су да у зимским условима ниских{5}}температура додавањем активног муља који садржи микробне заједнице-толерантне на хладноћу да би се добио активни муљ-биофилм симбиотски хибридни биореактор нуди предности као што су брзо покретање, брзо формирање биофилма и стабилни ефекти третмана. Делатолла ет ал. открили су да декарбонизација система на 1 степен повећава нитрификујућу активну биомасу, згушњава биофилм, ефективно повећава број живих ћелија током рада на ниским{11}}температурама и побољшава перформансе система нитрификације. Поред тога, НО, Н₂Х₄, НХ₂ОХ, итд., су кључни интермедијери који стимулишу процес анаеробне оксидације амонијума (анамокс) и ублажавају инхибицију анаммокс бактерија помоћу НО₂. Зеккер и сарадници, у студији која је третирала отпадну воду високе{16}}концентрације (концентрација амонијачног азота 740 мг/Л) са МББР системом, открили су да је додавање НО значајно убрзало анаммокс процес, а да се обиље бактерија које оксидирају амонијак{18}пропорционално повећало током рада система.
2. Истраживање технологија за побољшање носиоца за МББР на ниским температурама
Избор суспендованих МББР пунила је једна од основних технологија овог процеса за третман отпадних вода и кључни фактор који утиче на ефикасност процеса и трошкове инжењеринга. Обично коришћени типови пунила укључују саћаста пунила, полу-мекана пунила и композитна пунила, између осталог. Практичне примене могу наићи на проблеме као што су зачепљење пунила, агломерација и старење. У условима ниске{4}}температуре, формирање биофилма на МББР пунилима је спорије, потенцијално продужавајући периоде покретања опреме, ометајући нормалан рад процеса, што резултира слабом отпорношћу на ударно оптерећење и немогућношћу да се постигну очекивани ефекти третмана. Индустријски коришћени МББР суспендовани носачи се разликују по величини и облику и направљени су од високомолекуларних полимера као што су полиетилен високе -полиетилена (ХДПЕ), полиетилен (ПЕ) или полипропилен (ПП) методама као што су екструзија растопа или гранулација. Са-инжењерском применом овог процеса великих размера, разноврсност комерцијалних превозника се постепено повећава. Дизајн и обрада носача могу бити прилагођени квалитету воде и карактеристикама раста микроба, омогућавајући циљану оптимизацију и побољшање ради побољшања система биофилма МББР у условима ниске{10}}температуре. У практичним применама, модификације носача се првенствено фокусирају на побољшање специфичне површине, хидрофилности, био-афинитета, магнетних својстава, итд., како би се побољшао пренос масе носача, формирање биофилма и учинак третмана отпадних вода.
2.1 Магнетно оптерећење
Тренутна истраживања су истраживала коришћење магнетних поља за оптимизацију капацитета пречишћавања отпадних вода МББР-а на ниским температурама.Магнетна поља одређене јачине могу побољшати уклањање загађивача у процесима биолошког третмана. Под слабим магнетним пољима, органски загађивачи се обогаћују на површини магнетних биолошких носача путем магнетне агрегације и адсорпције, уз помоћ магнетних сила, Лоренцових сила и магнето{1}}колоидних ефеката. Унутар одговарајућег опсега интензитета, магнетна поља могу да побољшају коришћење кисеоника микробама, побољшају метаболизам раста микроба и активност ензима и повећају пропустљивост ћелијске мембране. Јинг Схуангии и др. проучавао упоредне ефекте додавања магнетних носача [полиетилен, неодимијум гвожђе и бор магнетни прах (Нд₂Фе₁₄Б) и поликватернијум-10 (ПКАС-10), итд.] у односу на комерцијалне носаче у МББР реакторима. Резултати су показали да у условима ниске{12}}температуре, магнетни носачи значајно побољшавају активност нитрификације биофилма, подстичу секрецију екстрацелуларне полимерне супстанце (ЕПС) и одржавају и побољшавају морфологију и структуру биофилма. Магнетни носачи су обогатили више родова нитрификујућих бактерија, са релативним обиљем бактерија које оксидирају амонијак и бактерија које оксидирају нитрите повећане за 1,82 пута и 1,05 пута, респективно, у поређењу са комерцијалним носачима, и аклиматизирале су и обогатиле два јединствена рода нитрификујућих бактерија.
2.2 Модификација носиоца
Поред магнетног оптерећења, модификација афинитета традиционалних материјала носача као што је полиетилен је такође важан начин за побољшање перформанси формирања биофилма пунила. Сун Бо и др. користили нова нано суспендована пунила за пречишћавање нискотемпературне кућне отпадне воде. На 10–12 степени, период формирања биофилма за нано пунила био је краћи од 18 дана, краћи од осталих пунила, са стопом уклањања ЦОД система стабилном на око 75%, што показује добру промотивну вредност. Рен Ианкианг и др. користили су суспендована пунила у облику саћа направљена од материјала од високо хидрофилних полимерних легура за третман ефлуента из примарног таложника постројења за пречишћавање отпадних вода у условима ниских{10}}температура. Резултати су показали да су ови суспендовани пуниоци ефикасно побољшали капацитет везивања површински{12}}активних микроорганизама, помажући у побољшању ефеката третмана МББР процеса. Хан Ксиаоиун и др. користио меку полиуретанску пену са развијеном структуром пора као имобилизовани носач за фиксирање ефикасних-микробних заједница отпорних на хладноћу одвојених од активног муља. Након додавања овог пунила у реактор, ефекти третмана загађивача су значајно побољшани, са стопом уклањања ЦОД-а од 82% и стопом уклањања биохемијске потражње за кисеоником (БОД) од 92% у условима ниских{19}}температура. Цхен ет ал. користио је МББР процес са поливинил алкохолним (ПВА) гел пунилом инокулисаним ХН-АД бактеријама за третман отпадних вода из узгоја стоке и живине уместо активног муља. Под различитим односима угљеника-на-азота (Ц/Н), перформансе различитих носача су значајно варирале. Порозна структура ПВА гела је обезбедила заштиту за бактерије, што је резултирало стабилнијим перформансама. Микробна анализа је показала да МББР процес са ПВА гел носачима фаворизује раст аутотрофних бактерија и ХН-АД бактерија (Парацоццус и Ацинетобацтер).
3. Комбинација процеса и Регулација МББР на ниским температурама
Овај систем има јединствене захтеве за формирање биофилма на површинама пунила, наглашавајући важност комбинације процеса и регулације. Стабилна нитрификација у МББР се може постићи регулацијом процесних параметара и односа; компензација ефеката ниске температуре кроз строжија ограничења је релативно директан и ефикасан метод.
3.1 Аерација
МББР процес се тренутно углавном примењује у аеробним окружењима. Брзина и начин аерације у реактору директно утичу на садржај раствореног кисеоника (ДО) у систему и карактеристике формирања биофилма, чиме утичу на ниво деградације загађујућих материја. Чен Лонг и сарадници, током пречишћавања индустријских отпадних вода, ефикасно су решили потешкоће у формирању биофилма користећи мере као што је шаржна аерација, постижући стопу уклањања КПК од 95,5% и стопу уклањања амонијачног азота од 91%. Перссон ет ал. користио је МББР за пречишћавање мешаних отпадних вода кухињског отпада и црне воде након анаеробног претходног третмана на 10 степени, постижући потпуну нитрификацију кроз повремено аерацију. Биан ет ал. открили да контролисање константног односа између ДО и укупне концентрације амонијачног азота оптимизује ефекте ефлуента на ниским температурама; када контролни однос није прелазио 0,17, процес нитрификације је остао стабилан на 6 степени.
3.2 Однос угљеника{1}}према-азоту (Ц/Н)
Постоји очигледна конкуренција између нитрификујућих и хетеротрофних бактерија; стога регулација Ц/Н постаје важан параметар који утиче на равнотежу између органске материје и деградације азота у систему. Цхен ет ал. показало је да је у МББР системима, када је Ц/Н између 4-15, стопа уклањања ЦОД била изнад 90%. Када се Ц/Н смањио на 1, стопа уклањања ЦОД-а је значајно опала. Ефикасност уклањања амонијачног азота система се прво повећала, а затим смањила са смањењем Ц/Н. Цхен ет ал. истраживао утицај Ц/Н на перформансе А/О-МББР реактора који третира отпадне воде марикултуре.Резултати су показали да смањење Ц/Н је корисно за побољшање ефикасности уклањања ЦОД-а и амонијачног азота.
3.3 Хидраулично време задржавања
Хидраулично време задржавања (ХРТ) одређује оптерећење активног муља унутар реакционог система. Превисока или прениска ХРТ може утицати на ефикасност третмана и трошкове изградње/оперативности МББР система. Одабир разумне ХРТ је кључан за стабилан рад система. Ван и др. применио МББР за контролу загађења од -пољопривредних извора на ниским температурама. Истраживање је показало да је на 5 степени, како се ХРТ смањио, ефикасност уклањања загађивача значајно опала, при чему је 8 сати минимално време задржавања да би се осигурала денитрификација нитрата у гасовити азот. Ванг Цхуанкин и др. третиране кућне отпадне воде са аноксичним/аеробним биофилм системом, фокусирајући се на карактеристике истовремене нитрификације и денитрификације у МББР на ниским температурама. Резултати су показали да се систем добро прилагодио сезонским падовима температуре тако што је продужио ХРТ, стабилизовао ЦОД у ефлуенту и концентрације амонијачног азота да би задовољио стандарде. Схиту је користио нови сунђер пунилац као носач биофилма МББР да би проучавао његов ефекат третмана воде на различитим ХРТ-овима. Резултати су показали да су ефекти третмана воде били најбољи на ХНЛ 6 х. Зхао Венбин и др. показало је да је оптимална ХРТ за уклањање загађивача у отпадној води помоћу МББР система у условима ниске{16}}температуре 24 х. Хан Леи и др. проучавао брзину уклањања загађивача када је ХРТ смањен са 15,4 х на 11,0 х у комбинованом процесу ДЕ оксидације + МББР. Резултати су показали да како се ХРТ скраћује, ефикасност уклањања загађивача постепено се смањује, али квалитет отпадних вода и даље може да задовољи циљне захтеве квалитета воде, што одражава јаку отпорност на ударно оптерећење система МББР.
3.4 Комбинација процеса
Денг Руи и др. проучавао је двостепени А/О-МББР процес за пречишћавање комуналних отпадних вода. У условима ниске температуре воде и ниске концентрације утицаја, овај комбиновани процес је показао снажну отпорност на ударно оптерећење и температурну прилагодљивост, стабилан рад и погодан рад, показујући добре изгледе за примену у третману отпадних вода. Луостаринен и др. проучавали ефекте третмана МББР процеса на млечне отпадне воде након анаеробног претходног третмана на ниским температурама. Резултати су показали да процес може уклонити 40%–70% ЦОД, 50%–60% азота, а комбинација упфлов анаеробног покривача муља (УАСБ) и МББР може уклонити 92% ЦОД, 99% БПК и 65%–70% азота. Ру Цхун ет ал. користио је модификовани Барденпхо-МББР + процес таложења са магнетним оптерећењем за реновирање постројења за пречишћавање отпадних вода. Прилагођавањем тачака дозирања извора угљеника и применом више-тачака утицаја и рефлукса са више-тачака у систему, постигнуто је ефикасно коришћење извора угљеника који су додати споља, обезбеђујући ефекте нитрификације и денитрификације на 8,7 степени, са стабилним квалитетом ефлуента бољим од стандарда за испуштање.
Закључак
У условима ниске{0}}температуре, микробна активност у МББР системима се смањује и постоји очигледна конкуренција између хетеротрофних микроорганизама који третирају органску материју и аутотрофних микроорганизама који третирају амонијачни азот. Стога, на основу састава загађивача сирове воде и захтева индикатора ефлуента, треба у потпуности размотрити одговарајући Ц/Н. Мере као што су побољшање и аклиматизација нискотемпературних доминантних сојева, циљано обогаћивање и повећање броја доминантних популација на носачима треба да се примене за кључне индикаторе како би се обезбедио квалитет отпадних вода.
Побољшање носача је важно средство за побољшање ниске{0}толеранције на температуру МББР система и побољшање ефикасности деградације процеса. Специфичне мере углавном укључују магнетно оптерећење и структурну обраду носача. Магнетно оптерећење може побољшати везивање нитрификујућих бактерија на ниским температурама, ојачати процес лучења ЕПС-а и побољшати активност бактерија; оптимизација структуре носача и површинских својстава може убрзати ефикасност преноса масе загађивача, побољшати њихову способност да учврсте и заштите микробне заједнице и одрже стабилније перформансе система.
Сам МББР процес поседује одређене карактеристике отпорности на ниске{0}}температуре. Међутим, уз континуирано побољшање стандарда квалитета отпадних вода за постројења за пречишћавање отпадних вода, прилагођавање радних услова и комбинација процеса МББР у условима ниских-температура постали су важан истраживачки садржај за напредак у процесу. За различите врсте отпадних вода, оптималне услове рада треба одредити на основу стварних ситуација. У међувремену, разумне комбинације процеса могу ефикасно побољшати отпорност на ударно оптерећење, температурну прилагодљивост и стабилност система МББР система према загађивачима.