Напредък на научните изследвания върху работата на процеса и приложението на MBBR Системи при ниски температури
Преглед
Процесът с биофилмов реактор с подвижно легло (MBBR) е една от широко използваните технологии за пречистване на отпадъчни води с биофилм в момента. В сравнение с конвенционалните процеси с активна утайка, MBBR предлага предимства като ефективно качество на отпадъчния поток, силна устойчивост на ударни натоварвания и няма изискване за връщане на утайката или обратно промиване. По време на периода на ниски{2}}температури през зимата, особено в северните райони и югозападните плата, температурите на въздуха могат лесно да паднат под 5 градуса, а температурите на водата могат да паднат под 15 градуса. Ниските температури могат да доведат до не-съответствие на показатели за отпадъчни води като химическо потребление на кислород (COD), амонячен азот и общ азот в MBBR системите. Отстраняването на азот от биофилма включва аеробна нитрификация и аноксична денитрификация, а температурата е един от ключовите фактори, влияещи върху тези процеси. С понижаването на температурите скоростта на нитрификация на бактериите в системите с активна утайка постепенно намалява, със значително намаляване на капацитета на нитрификация, когато температурите паднат под 8 градуса. Тази статия систематично разработва работата на MBBR процесите при ниски-температурни условия от аспекти като микробни общности, технологии за подобряване на носителя и комбинации и манипулиране на процеси, предоставяйки справки за по-нататъшни изследвания и приложения.
1. Изследване на микробни общности в ниско-температурни MBBR системи
Понастоящем основният процес в пречиствателните станции за отпадъчни води е биологичното пречистване.Ниските температури през зимата (По-малко или равни на 15 градуса) инхибират активността на нитрифициращите бактерии в биореакторите, засягайки процеса на нитрификация и ограничавайки капацитета на системата за отстраняване на азот. Нитрифициращите бактерии са автотрофни с дълги цикли на генериране и са чувствителни към температурни промени, с оптимален температурен диапазон на растеж от 20–35 градуса.
1.1 Микробна активност
Биофилмите в реакторите MBBR растат прикрепени към повърхностите на носителя, поддържайки растежа на микроорганизми с дълги цикли на генериране, като по този начин увеличават съдържанието на нитрифициращи бактерии в системата. В сравнение с процесите с активна утайка, MBBR проявява по-силна нитрификация при ниски температури, което го прави широко използван при ниско{1}}температурно пречистване на отпадъчни води. Ниската температура е един от важните фактори на околната среда, влияещи върху производителността на нитрификация на този реактор. Намаляването на температурата води до намалена течливост на клетъчната мембрана и ензимна катализа, намален транспорт на материала и метаболитни скорости, като по този начин засяга стабилността на вторичните структури на нуклеиновата киселина и инхибира репликацията на ДНК, транскрипцията на иРНК и транслацията. Когато температурите паднат под точката на замръзване на цитоплазмата, в клетките се образуват ледени кристали, причинявайки сериозно структурно увреждане. Проучвания на Qiu Tian и др. показа товаактивността на амонячно окисление и нитритно окисление на MBBR биофилм при 10 градуса е съответно 55% и 56% от тези при 20 градуса. Zheng Zhijia и др. тества скоростта на нитрификация на активната утайка впречиствателна станция за отпадъчни води през лятото (20 градуса) и зимата (8 градуса), установявайки, че скоростта на нитрификация на амонячен азот при 8 градуса е 48,5% от тази при 20 градуса. Въздействието на ниската температура върху нитрифициращия капацитет на биохимичните резервоари включва два аспекта: първо, ниската температура засяга активността на съобществата на нитрифициращи бактерии, и второ, продължителните нитрифициращи бактерии намаляват популацията на нитрифициращи бактерии в активната утайка.
1.2 Конкуренция на микробната общност
Тъй като нитрифициращите бактерии са автотрофни, други микробни общности значително влияят върху процеса на нитрификация и се конкурират силно с нитрифициращите бактерии. Houweling и др. проведе експерименти с MBBR процес, показвайки, че при 4 градуса MBBR има известен потенциал за нитрификация, но прекомерният растеж на хетеротрофни микроорганизми в системата намалява скоростта на нитрификация до известна степен. Шао Шухай и др. показват, че ефектът на отстраняване на азот от едно-етап MBBR не е идеален поради конкуренцията между нитрифициращи и хетеротрофни бактерии. Han Wenjie и др. изследва промените в микробната общност и моделите на биологично разпределение в пречиствателна станция за отпадъчни води, използвайки хибридни процеси на MBBR по време на сезони с ниски -температури, установявайки, че броят на микробните видове в суспендирани биофилми носител е по-нисък от този в активната утайка от същата система, с неравномерно разпределение на видовете. Добавянето на суспендирани носители засили микробното разнообразие в системата, докато влиятелните и оперативните режими имаха известна селективност върху състава на микробната общност. Wu Han и др. симулирано пречистване на битови отпадъчни води с използване на три последователни партидни реактора MBBR с различни типове пълнители. Чрез постепенно намаляване на температурите (25, 20, 15, 10, 6 и 5 градуса), за да култивират и аклиматизират биофилми за отпадъчни води с ниска -температура, те установиха, че различни микроорганизми доминират в трите реактора. Резултатите от високо{21}}пропускливото секвениране показаха, че при 5 градуса микроорганизмите, разграждащи органичната материя, преобладават и в трите реактора; един реактор успешно аклиматизира и обогати психрофилни нитрифициращи бактерии, докато другите два имат по-високо изобилие от азот-фиксиращи бактерии, неблагоприятни за отстраняване на азот.
1.3 Привикване на психрофилни микроорганизми
Технологията за подобряване на аклиматизацията и обогатяването за микробни общности с доминираща-ниска температурае ефективен метод за подобряване на оперативната ефективност и стабилност на MBBR при ниски-температурни условия. Чрез прогресивна индукция и оптимизирано култивиране, доминиращите популации се скринират и прилагат, като се използва силната толерантност на микробните общности за намаляване на въздействието на ниските температури, предлагайки -дългосрочен потенциал за стабилност. Wang Dan и др. установено, че при условия на ниска{5}}температура през зимата, добавянето на активна утайка, съдържаща-устойчиви на студ микробни общности за постигане на симбиотичен хибриден биореактор с активна утайка-биофилм предлага предимства като бързо стартиране, бързо образуване на биофилм и стабилни ефекти на третиране. Делатола и др. откриха, че декарбонизирането на системата при 1 градус повишава нитрифициращата активна биомаса, удебелява биофилма, ефективно увеличава броя на жизнеспособните клетки по време на работа при ниска -температура и подобрява ефективността на нитрификацията на системата. В допълнение, NO, N2H4, NH2OH и т.н. са ключови междинни продукти, които стимулират процеса на анаеробно амониево окисление (anammox) и облекчават инхибирането на анаммокс бактерии от NO2. Zekker et al., в проучване за третиране на отпадъчни води с висока -концентрация (концентрация на амонячен азот 740 mg/L) с MBBR система, откриха, че добавянето на NO значително ускорява процеса на анамокс и изобилието на -окисляващи амоняк бактерии нараства пропорционално по време на работа на системата.
2. Изследване на технологиите за подобряване на носителя за MBBR при ниски температури
Изборът на суспендирани MBBR пълнители е една от основните технологии на този процес за пречистване на отпадъчни води и ключов фактор, влияещ върху ефективността на процеса и инженерните разходи. Често използваните видове пълнители включват пълнители тип пчелна пита, полу-меки пълнители и композитни пълнители, наред с други. Практическите приложения могат да се сблъскат с проблеми като запушване на пълнителя, агломерация и стареене. При ниски -температурни условия образуването на биофилм върху MBBR пълнителите е по-бавно, което потенциално удължава периодите на стартиране на оборудването, възпрепятства нормалната работа на процеса, което води до слаба устойчивост на ударно натоварване и не успява да постигне очакваните ефекти от лечението. Индустриално използваните окачени носители MBBR варират по размер и форма и са направени от високомолекулни полимери като полиетилен с висока - плътност (HDPE), полиетилен (PE) или полипропилен (PP) чрез методи като екструзия в стопилка или гранулиране. С широкомащабното-инженерно приложение на този процес, разнообразието от търговски превозвачи постепенно се увеличи. Дизайнът и обработката на носителя могат да бъдат съобразени с качеството на водата и характеристиките на микробния растеж, позволявайки целенасочена оптимизация и подобрение за подобряване на MBBR системите за биофилм при ниски -температурни условия. В практическите приложения модификациите на носителя се фокусират предимно върху подобряване на специфичната повърхност, хидрофилността, био-афинитета, магнитните свойства и т.н., за да се подобри преносът на маса на носителя, образуването на биофилм и ефективността на пречистване на отпадъчни води.
2.1 Магнитно натоварване
Настоящите изследвания изследват използването на магнитни полета за оптимизиране на капацитета за пречистване на отпадъчни води на MBBR при ниски температури.Магнитни полета с определена сила могат да подобрят отстраняването на замърсителите в процесите на биологично третиране. При слаби магнитни полета органичните замърсители се обогатяват на повърхността на магнитните биологични носители чрез магнитна агрегация и адсорбция, подпомогнати от магнитни сили, сили на Лоренц и магнито-колоидни ефекти. В рамките на подходящ диапазон на интензитет, магнитните полета могат да подобрят използването на кислород от микробите, да подобрят метаболизма на микробния растеж и ензимната активност и да увеличат пропускливостта на клетъчната мембрана. Jing Shuangyi и др. изследва сравнителните ефекти от добавянето на магнитни носители [полиетилен, неодимов железен бор магнитен прах (Nd₂Fe₁₄B) и поликватерниум-10 (PQAS-10) и др.] спрямо търговски носители в реактори MBBR. Резултатите показват, че при ниски -температурни условия магнитните носители значително подобряват активността на нитрификация на биофилма, насърчават секрецията на извънклетъчно полимерно вещество (EPS) и поддържат и подобряват морфологията и структурата на биофилма. Магнитните носители обогатиха повече родове нитрифициращи бактерии, като относителното изобилие на бактерии, окисляващи амоняк и бактерии, окисляващи нитрит, се увеличи съответно с 1,82 пъти и 1,05 пъти, в сравнение с търговските носители, и аклиматизира и обогати два уникални рода нитрифициращи бактерии.
2.2 Модификация на носителя
Освен магнитното натоварване, афинитетната модификация на традиционните носещи материали като полиетилен също е важен начин за подобряване на ефективността на образуване на биофилм от пълнител. Sun Bo и др. използва нови нано суспендирани пълнители за третиране на битови отпадъчни води с ниска{2}}температура. При 10–12 градуса, периодът на образуване на биофилм за нано пълнители е по-малък от 18 дни, по-кратък от други пълнители, със стабилна степен на отстраняване на COD от системата около 75%, демонстрирайки добра промоционална стойност. Ren Yanqiang и др. използвани суспендирани пълнители от тип пчелна пита, направени от материали от силно хидрофилни полимерни сплави за третиране на отпадъчни води от първичния утаителен резервоар на пречиствателна станция за отпадъчни води при ниски -температурни условия. Резултатите показват, че тези суспендирани пълнители ефективно подобряват способността за закрепване на повърхностно-активните микроорганизми, като спомагат за подобряване на ефектите от обработката на MBBR процеса. Han Xiaoyun и др. използва мека полиуретанова пяна с развита пореста структура като имобилизиран носител за фиксиране на ефективни студо{15}}толерантни микробни общности, отделени от активната утайка. След добавяне на този пълнител към реактора, ефектите от третиране на замърсителите значително се подобриха, със степен на отстраняване на COD от 82% и степен на отстраняване на биохимично потребление на кислород (BOD) от 92% при ниски -температурни условия. Чен и др. използва MBBR процес с поливинил алкохол (PVA) гел пълнител, инокулиран с HN-AD бактерии за третиране на отпадъчни води от животновъдство и птицевъдство вместо активна утайка. При различни съотношения на въглерод-към-азот (C/N), ефективността на различните носители варира значително. Порестата структура на PVA гела осигурява защита за бактериите, което води до по-стабилна работа. Микробният анализ показа, че MBBR процесът с PVA гел носители благоприятства растежа на автотрофни бактерии и HN-AD бактерии (Paracoccus и Acinetobacter).
3. Комбинация от процеси и Регулиране на MBBR при ниски температури
Тази система има уникални изисквания за образуване на биофилм върху повърхностите на пълнежа, подчертавайки важността на комбинацията от процеси и регулирането. Стабилна нитрификация в MBBR може да се постигне чрез регулиране на параметрите и съотношенията на процеса; компенсирането на ефектите от ниската температура чрез по-строги ограничения е сравнително пряк и ефективен метод.
3.1 Аерация
Процесът MBBR понастоящем се прилага главно в аеробни среди. Скоростта на аериране и методът в реактора влияят директно върху съдържанието на разтворен кислород (DO) в системата и характеристиките на образуването на биофилм, като по този начин влияят върху нивото на разграждане на замърсителите. Chen Long et al., по време на пречистването на промишлени отпадъчни води, ефективно се справят с трудностите при образуването на биофилм, като използват мерки като партидно аериране, постигайки степен на отстраняване на COD от 95,5% и степен на отстраняване на амонячен азот от 91%. Persson и др. използва MBBR за третиране на смесени отпадъчни води от кухненски отпадъци и черна вода след анаеробна предварителна обработка при 10 градуса, постигайки пълна нитрификация чрез периодична аерация. Биан и др. установи, че контролирането на постоянно съотношение между DO и общата концентрация на амонячен азот оптимизира ефектите на отпадъчните води при ниски температури; когато контролното съотношение не надвишава 0,17, процесът на нитрификация остава стабилен при 6 градуса.
3.2 Съотношение въглерод-към-азот (C/N)
Съществува очевидна конкуренция между нитрифициращи и хетеротрофни бактерии; следователно регулирането на C/N се превръща във важен параметър, влияещ върху баланса между разграждането на органичната материя и азота в системата. Чен и др. показват, че в MBBR системи, когато C/N е между 4-15, степента на отстраняване на COD е над 90%. Когато C/N намаля до 1, скоростта на отстраняване на ХПК спада значително. Ефективността на системата за отстраняване на амонячен азот първо се увеличи и след това намаля с намаляване на C/N. Чен и др. изследва влиянието на C/N върху работата на реактор A/O-MBBR, пречистващ отпадъчни води от марикултурата.Резултатите показват, че намаляването на C/N е от полза за подобряване на COD и ефективността на отстраняване на амонячен азот.
3.3 Хидравлично време на задържане
Хидравличното време на задържане (HRT) определя натоварването на активната утайка в реакционната система. Твърде високата или твърде ниската ХЗТ може да повлияе на ефикасността на лечението и на строителните/оперативните разходи на MBBR системите. Изборът на разумна ХЗТ е от решаващо значение за стабилната работа на системата. Ван и др. приложен MBBR за селскостопански контрол на замърсяване от не-точкови източници при ниски температури. Изследванията показват, че при 5 градуса, тъй като HRT намалява, ефективността на отстраняване на замърсителите значително намалява, като 8 часа е минималното време на задържане, за да се осигури денитрификация на нитратите до азотен газ. Wang Chuanxin и др. пречистени битови отпадъчни води с аноксична/аеробна биофилмова система, като се фокусира върху характеристиките на едновременната нитрификация и денитрификация в MBBR при ниски температури. Резултатите показват, че системата се адаптира добре към сезонните спадове на температурата чрез удължаване на ХЗТ, стабилизиране на ХПК в отпадъчните води и концентрациите на амонячен азот, за да отговарят на стандартите. Шиту използва нов гъбен пълнител като носител на биофилм MBBR, за да проучи неговия ефект от пречистване на вода при различни ХЗТ. Резултатите показват, че ефектите от третирането с вода са най-добри при ХЗТ 6 часа. Zhao Wenbin и др. показаха, че оптималното HRT за отстраняване на замърсители в отпадъчни води от MBBR системи при ниски -температурни условия е 24 часа. Han Lei и др. изследва скоростта на отстраняване на замърсителите, когато HRT е намалена от 15,4 часа на 11,0 часа в комбиниран процес DE окислителна канавка + MBBR. Резултатите показват, че със съкращаването на HRT ефективността на отстраняване на замърсителите постепенно намалява, но качеството на отпадъчните води все още може да отговаря на целевите изисквания за качество на водата, отразявайки силната устойчивост на ударно натоварване на системата MBBR.
3.4 Комбинация от процеси
Deng Rui и др. проучи дву-етап A/O-MBBR процес за пречистване на битови отпадъчни води. При условия на ниска температура на водата и ниска входяща концентрация този комбиниран процес демонстрира силна устойчивост на ударно натоварване и температурна адаптивност, стабилна работа и удобна работа, показвайки добри перспективи за приложение при пречистване на отпадъчни води. Luostarinen и др. изследва ефектите от обработката на процеса MBBR върху млечните отпадъчни води след анаеробна предварителна обработка при ниски температури. Резултатите показват, че процесът може да отстрани 40%–70% от COD, 50%–60% от азота, а комбинацията от анаеробна утайка с възходящ поток (UASB) и MBBR може да премахне 92% от COD, 99% от BOD и 65%–70% от азота. Ru Chun и др. използва модифициран процес на утаяване с магнитно натоварване Bardenpho-MBBR + за обновяване на пречиствателна станция за отпадъчни води. Чрез регулиране на точките за дозиране на източник на въглерод и внедряване на много{20}}точково вливане и много-точково оттичане в системата беше постигнато ефективно използване на външно добавени въглеродни източници, осигурявайки ефекти на нитрификация и денитрификация при 8,7 градуса, със стабилно качество на отпадъчните води, по-добро от стандартите за изпускане.
Заключение
При ниски-температурни условия микробната активност в MBBR системите намалява и има очевидна конкуренция между хетеротрофните микроорганизми, обработващи органична материя, и автотрофните микроорганизми, обработващи амонячен азот. Следователно, въз основа на изискванията за състава на замърсителите на суровата вода и изискванията за показатели за отпадъчни води, подходящите C/N трябва да бъдат изцяло взети предвид. Мерки като подобряване и аклиматизиране на доминиращи щамове при ниски-температури, целенасочено обогатяване и увеличаване на изобилието от доминиращи популации върху носители трябва да се прилагат за ключови индикатори, за да се гарантира качеството на отпадъчните води.
Усъвършенстването на носителя е важно средство за подобряване на ниската{0}}температурна толерантност на MBBR системите и подобряване на ефективността на деградацията на процеса. Специфичните мерки включват главно магнитно натоварване и структурна обработка на носителите. Магнитното натоварване може да подобри прикрепването на нитрифициращи бактерии при ниски температури, да засили процеса на секреция на EPS и да подобри бактериалната активност; оптимизирането на носещата структура и свойствата на повърхността може да ускори ефективността на масовия трансфер на замърсителите, да подобри способността им да втвърдяват и защитават микробните общности и да поддържат по-стабилна производителност на системата.
Самият процес MBBR притежава определени характеристики за устойчивост на-температура. Въпреки това, с непрекъснатото подобряване на стандартите за качество на отпадните води за пречиствателните станции за отпадъчни води, коригирането на работните условия и комбинацията от процеси на MBBR при ниски -температурни условия се превърнаха във важно изследователско съдържание за пробив в процеса. За различните видове отпадъчни води оптималните условия на работа трябва да се определят въз основа на действителните ситуации. Междувременно разумните комбинации от процеси могат ефективно да подобрят устойчивостта на ударно натоварване, температурната адаптивност и системната стабилност на MBBR системите към замърсители.