Protsessi toimimise ja MBBR rakendamise uurimise edusammud Süsteemid madalatel temperatuuridel
Ülevaade
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) protsess on praegu üks laialdaselt kasutatavaid biokile reoveepuhastustehnoloogiaid. Võrreldes tavapäraste aktiivmudaprotsessidega pakub MBBR eeliseid, nagu tõhus heitvee kvaliteet, tugev vastupidavus löökkoormustele ja muda tagasivoolu või tagasipesu nõude puudumine. Talvisel madalal-temperatuuril, eriti põhjapiirkondades ja edelaplatoodel, võib õhutemperatuur kergesti langeda alla 5 kraadi ja veetemperatuur alla 15 kraadi. Madalad temperatuurid võivad MBBR-süsteemides põhjustada -heitvee näitajate, nagu keemilise hapnikutarve (COD), ammoniaaklämmastiku ja üldlämmastiku mittevastavust. Biokile lämmastiku eemaldamine hõlmab aeroobset nitrifikatsiooni ja anoksilist denitrifikatsiooni ning temperatuur on üks peamisi neid protsesse mõjutavaid tegureid. Temperatuuride langedes väheneb järk-järgult bakterite nitrifikatsioonikiirus aktiivmudasüsteemides, kusjuures nitrifikatsioonivõime väheneb oluliselt, kui temperatuur langeb alla 8 kraadi. Selles artiklis käsitletakse süstemaatiliselt MBBR-protsesside toimimist madalatel temperatuuridel, võttes arvesse selliseid aspekte nagu mikroobikooslused, kandjate täiustamise tehnoloogiad ning protsesside kombinatsioonid ja manipuleerimine, pakkudes viiteid edasiseks uurimiseks ja rakendamiseks.
1. Mikroobikoosluste uurimine madalatemperatuurilistes MBBR-süsteemides
Praegu on reoveepuhastite põhiprotsess bioloogiline puhastus.Madal temperatuur talvel (alla või võrdne 15 kraadi) pärsib nitrifitseerivate bakterite tegevust bioreaktorites, mõjutades nitrifikatsiooniprotsessi ja piirates süsteemi lämmastiku eemaldamise võimet.. Nitrifitseerivad bakterid on autotroofsed, pikkade genereerimistsüklitega ja tundlikud temperatuurimuutustele, optimaalse kasvutemperatuuri vahemikuga 20–35 kraadi.
1.1 Mikroobide aktiivsus
MBBR reaktorites kasvavad biokiled kinnitunud kandepindadele, toetades pikkade genereerimistsüklitega mikroorganismide kasvu, suurendades seeläbi nitrifitseerivate bakterite sisaldust süsteemis. Võrreldes aktiivmudaprotsessidega on MBBR-l madalatel temperatuuridel parem nitrifikatsioonivõime, mistõttu seda kasutatakse laialdaselt madalal temperatuuril reoveepuhastuses. Madal temperatuur on üks olulisi keskkonnategureid, mis mõjutab selle reaktori nitrifikatsiooni. Temperatuuri alandamine põhjustab rakumembraani voolavuse ja ensüümide katalüüsi vähenemist, materjali transpordi ja ainevahetuse kiiruse vähenemist, mõjutades seeläbi nukleiinhapete sekundaarsete struktuuride stabiilsust ja inhibeerides DNA replikatsiooni, mRNA transkriptsiooni ja translatsiooni. Kui temperatuur langeb alla tsütoplasma külmumispunkti, tekivad rakkudes jääkristallid, mis põhjustavad tõsiseid struktuurikahjustusi. Qiu Tiani jt uuringud. näitas sedaMBBR biokile ammoniaagi oksüdatsiooni ja nitriti oksüdatsiooni aktiivsus 10 kraadi juures oli vastavalt 55% ja 56% 20 kraadi juures olevast.. Zheng Zhijia et al. katsetas aktiivmuda nitrifikatsioonimäärasid aastalreoveepuhasti suvel (20 kraadi) ja talvel (8 kraadi), leides, et ammoniaaklämmastiku nitrifikatsioonimäär 8 kraadi juures oli 48,5% 20 kraadisest. Madala temperatuuri mõju biokeemiapaakide nitrifikatsioonivõimele hõlmab kahte aspekti: esiteks mõjutab madal temperatuur nitrifitseerivate bakterite koosluste aktiivsust ja teiseks, pikaajaline madal temperatuur vähendab nitrifitseerivate bakterite populatsiooni aktiivmudas.
1.2 Mikroobide kogukonna konkurents
Kuna nitrifitseerivad bakterid on autotroofsed, mõjutavad teised mikroobikooslused nitrifikatsiooniprotsessi oluliselt ja konkureerivad tugevalt nitrifitseerivate bakteritega. Houweling jt. viidi läbi MBBR protsessi katsed, mis näitasid, et 4 kraadi juures on MBBR-l teatav nitrifikatsioonipotentsiaal, kuid heterotroofsete mikroorganismide liigne kasv süsteemis vähendas nitrifikatsioonikiirust teatud määral. Shao Shuhai et al. näitas, et ühefaasilise MBBR lämmastiku eemaldamise efekt ei ole nitrifitseerivate ja heterotroofsete bakterite vahelise konkurentsi tõttu ideaalne. Han Wenjie et al. uuris MBBR hübriidprotsesse kasutavas reoveepuhastis mikroobikoosluse muutusi ja bioloogilisi jaotusmustreid madalal -temperatuuril hooaegadel, leides, et mikroobiliikide arv hõljuva kandja biokiledes oli väiksem kui samast süsteemist pärit aktiivmudas, kusjuures liikide jaotus on ebaühtlane. Suspensioonikandjate lisamine suurendas süsteemis mikroobide mitmekesisust, samas kui mõju- ja töörežiimidel oli mikroobikoosluse koostise suhtes teatud selektiivsus. Wu Han et al. simuleeritud olmereovee puhastamine, kasutades kolme järjestikust erinevat tüüpi täiteainega MBBR reaktorit. Alandades järk-järgult temperatuure (25, 20, 15, 10, 6 ja 5 kraadi), et kasvatada ja aklimatiseerida madalatemperatuurilise reovee biokilesid, leidsid nad, et kolmes reaktoris domineerivad erinevad mikroorganismid. Suure{21}}läbilaskevõimega sekveneerimise tulemused näitasid, et 5 kraadi juures olid orgaanilist ainet lagundavad mikroorganismid ülekaalus kõigis kolmes reaktoris; üks reaktor aklimatiseeris ja rikastas edukalt psührofiilseid nitrifitseerivaid baktereid, samas kui kahes teises reaktoris oli suurem lämmastikku{23}}fikseerivate bakterite hulk, mis ei sobi lämmastiku eemaldamiseks.
1.3 Psührofiilsete mikroorganismide aklimatiseerumine
Aklimatiseerumise ja rikastamise täiustamise tehnoloogia madalal temperatuuril{0}}domineerivate mikroobikoosluste jaokson tõhus meetod MBBR töötõhususe ja stabiilsuse parandamiseks madalal{0}}temperatuuril. Progressiivse induktsiooni ja optimeeritud kasvatamise abil sõelutakse ja rakendatakse domineerivaid populatsioone, kasutades ära mikroobikoosluste tugevat taluvust, et vähendada madalate temperatuuride mõju, pakkudes pikaajalist stabiilsust. Wang Dan et al. avastas, et talvistes madalate{5}}temperatuurilistes tingimustes pakub külma-tolerantsete mikroobikoosluste lisamine aktiivmuda-biokile sümbiootilise hübriidbioreaktori saavutamiseks selliseid eeliseid nagu kiire käivitamine, kiire biokile moodustumine ja stabiilne raviefekt. Delatolla jt. avastas, et süsteemi dekarboniseerimine 1 kraadi juures suurendas nitrifitseerivat aktiivset biomassi, paksendas biokilet, suurendas tõhusalt elujõuliste rakkude arvu madalal temperatuuril töötamise ajal ja parandas süsteemi nitrifikatsiooni jõudlust. Lisaks on NO, N2H4, NH2OH jne peamised vaheühendid, mis stimuleerivad anaeroobse ammooniumi oksüdatsiooni (anammox) protsessi ja leevendavad anammoksibakterite pärssimist NO2 poolt. Zekker jt leidsid uuringus, milles käsitleti kõrge kontsentratsiooniga reovett (ammooniumlämmastiku kontsentratsioon 740 mg/l) MBBR-süsteemiga, et NO lisamine kiirendas oluliselt anammoksiprotsessi ja ammoniaaki -oksüdeerivate bakterite arvukus suurenes proportsionaalselt süsteemi töötamise ajal.
2. MBBR kandja täiustamise tehnoloogiate uurimine madalatel temperatuuridel
Rippuvate MBBR-täiteainete valik on selle reoveepuhastusprotsessi üks põhitehnoloogiaid ning võtmetegur, mis mõjutab protsessi tõhusust ja insenerikulusid. Tavaliselt kasutatavate täiteainete hulka kuuluvad kärgstruktuuriga täiteained, pool{1}}pehmed täiteained ja komposiittäiteained. Praktilistel rakendustel võib esineda probleeme, nagu täiteaine ummistus, aglomeratsioon ja vananemine. Madala -temperatuuri tingimustes on biokile moodustumine MBBR-täiteainetel aeglasem, mis võib pikendada seadmete käivitusperioode, takistades normaalset protsessi toimimist, mille tulemuseks on nõrk löögikindlus ja ei saavutata oodatud raviefekte. Tööstuslikult kasutatavad MBBR-i suspendeeritud kandjad on erineva suuruse ja kujuga ning on valmistatud kõrgmolekulaarsetest polümeeridest, nagu suure -tihedusega polüetüleen (HDPE), polüetüleen (PE) või polüpropüleen (PP), kasutades selliseid meetodeid nagu sulamikstrusioon või granuleerimine. Selle protsessi laiaulatusliku-tehnilise rakendusega on kommertsvedajate valik järk-järgult suurenenud. Kanduri disaini ja töötlemist saab kohandada vastavalt vee kvaliteedile ja mikroobide kasvu omadustele, võimaldades sihipärast optimeerimist ja täiustamist, et täiustada MBBR-i biokilesüsteeme madalal temperatuuril. Praktilistes rakendustes keskenduvad kandja modifikatsioonid peamiselt eripinna, hüdrofiilsuse, bio-afiinsuse, magnetiliste omaduste jms parandamisele, et parandada kandja massiülekannet, biokile moodustumist ja reoveepuhastust.
2.1 Magnetiline laadimine
Praegused uuringud on uurinud magnetväljade kasutamist, et optimeerida MBBR reoveepuhastusvõimsust madalatel temperatuuridel.Teatud tugevusega magnetväljad võivad suurendada saasteainete eemaldamist bioloogilistes puhastusprotsessides. Nõrkade magnetväljade korral rikastuvad orgaanilised saasteained magnetiliste bioloogiliste kandjate pinnal magnetilise agregatsiooni ja adsorptsiooni kaudu, millele aitavad kaasa magnetjõud, Lorentzi jõud ja magneto{1}}kolloidsed efektid. Sobivas intensiivsuse vahemikus võivad magnetväljad parandada mikroobse hapniku kasutamist, suurendada mikroobide kasvu metabolismi ja ensüümide aktiivsust ning suurendada rakumembraanide läbilaskvust. Jing Shuangyi jt. uuris magnetkandjate [polüetüleen, neodüümraud-boor magnetpulber (Nd₂Fe₁₄B) ja polükvaternium-10 (PQAS-10) jne] lisamise võrdlevat mõju MBBR reaktorites kaubanduslike kandjatega. Tulemused näitasid, et madala temperatuuri tingimustes parandasid magnetkandjad märkimisväärselt biokile nitrifikatsiooni aktiivsust, soodustasid rakuvälise polümeerse aine (EPS) sekretsiooni ning säilitasid ja parandasid biokile morfoloogiat ja struktuuri. Magnetkandjad rikastasid rohkem nitrifitseerivate bakterite perekondi, ammoniaaki oksüdeerivate bakterite ja nitritit oksüdeerivate bakterite suhteline arvukus suurenes kaubanduslike kandjatega võrreldes vastavalt 1, 82 korda ja 1, 05 korda ning aklimatiseerusid ja rikastasid kahte ainulaadset nitrifitseerivate bakterite perekonda.
2.2 Kandja muutmine
Lisaks magnetilisele laadimisele on traditsiooniliste kandematerjalide, nagu polüetüleen, afiinsuse muutmine samuti oluline viis täiteaine biokile moodustumise tõhustamiseks. Sun Bo et al. kasutas madalatemperatuurilise olmereovee puhastamiseks uudseid suspendeeritud nanotäiteaineid. Temperatuuril 10–12 kraadi oli nanotäiteainete biokile moodustumise periood alla 18 päeva, mis on lühem kui teistel täiteainetel, süsteemi KHT eemaldamise määr on stabiilne umbes 75%, mis näitab head reklaamiväärtust. Ren Yanqiang jt. kasutas kõrgelt hüdrofiilsetest polümeerisulamist materjalidest valmistatud kärgstruktuuriga suspendeeritud täiteaineid reoveepuhasti primaarse settepaagi heitvee töötlemiseks madalal temperatuuril. Tulemused näitasid, et need suspendeeritud täiteained parandasid tõhusalt pindaktiivsete mikroorganismide kinnitusvõimet, aidates kaasa MBBR-protsessi raviefektide parandamisele. Han Xiaoyun et al. kasutas arenenud poorse struktuuriga pehmet polüuretaanvahtu immobiliseeritud kandjana, et fikseerida tõhusad külm{15}}tolerantsed aktiivmudast eraldatud mikroobikooslused. Pärast selle täiteaine lisamist reaktorisse paranesid saasteainete töötlemise efektid märkimisväärselt: KHT eemaldamise määr oli 82% ja biokeemilise hapnikutarbe (BOD) eemaldamise määr madalal temperatuuril 92%. Chen et al. kasutas MBBR protsessi polüvinüülalkoholi (PVA) geeltäiteainega, mis oli nakatatud HN-AD bakteritega, et puhastada kariloomade ja linnukasvatuse reovett aktiivmuda asemel. Erinevate süsiniku{24}}--lämmastiku suhete (C/N) korral erines erinevate kandjate jõudlus märkimisväärselt. PVA geeli poorne struktuur kaitses baktereid, mille tulemuseks on stabiilsem jõudlus. Mikroobianalüüs näitas, et MBBR-protsess PVA geelikandjatega soodustas autotroofsete bakterite ja HN-AD bakterite (Paracoccus ja Acinetobacter) kasvu.
3. Protsessi kombineerimine ja MBBR reguleerimine madalatel temperatuuridel
Sellel süsteemil on ainulaadsed nõuded biokile moodustamiseks täitepindadel, rõhutades protsesside kombineerimise ja reguleerimise tähtsust. Stabiilne nitrifikatsioon MBBR-is on saavutatav protsessi parameetrite ja suhete reguleerimisega; madala temperatuuri mõjude kompenseerimine rangemate piirangutega on suhteliselt otsene ja tõhus meetod.
3.1 Õhustamine
MBBR protsessi kasutatakse praegu peamiselt aeroobsetes keskkondades. Aeratsiooni kiirus ja meetod reaktoris mõjutavad otseselt lahustunud hapniku (DO) sisaldust süsteemis ja biokile moodustumise omadusi, mõjutades seeläbi saasteainete lagunemise taset. Chen Long jt tegelesid tööstusliku reovee puhastamise ajal tõhusalt biokile moodustumise raskustega, kasutades selliseid meetmeid nagu partii õhutamine, saavutades COD eemaldamise määra 95, 5% ja ammoniaaklämmastiku eemaldamise määra 91%. Persson et al. kasutas MBBR-d köögijäätmete ja musta vee segareovee puhastamiseks pärast anaeroobset eeltöötlust temperatuuril 10 kraadi, saavutades täieliku nitrifikatsiooni perioodilise aeratsiooni kaudu. Bian et al. leidis, et DO ja kogu ammoniaaklämmastiku kontsentratsiooni konstantse suhte reguleerimine optimeeris heitvee mõju madalatel temperatuuridel; kui kontrollsuhe ei ületanud 0,17, jäi nitrifikatsiooniprotsess stabiilseks 6 kraadi juures.
3.2 Süsiniku---lämmastiku suhe (C/N)
Nitrifitseerivate ja heterotroofsete bakterite vahel on ilmne konkurents; seetõttu muutub C/N reguleerimine oluliseks parameetriks, mis mõjutab tasakaalu orgaanilise aine ja lämmastiku lagunemise vahel süsteemis. Chen et al. näitas, et MBBR-süsteemides, kui C / N oli vahemikus 4–15, oli COD eemaldamise määr üle 90%. Kui C/N vähenes 1-ni, langes COD eemaldamise kiirus märkimisväärselt. Süsteemi ammoniaaklämmastiku eemaldamise efektiivsus esmalt tõusis ja seejärel vähenes C/N vähendamisega. Chen et al. uuris C/N mõju A/O{10}}MBBR reaktori toimimisele, mis puhastab merekultuuri reovett.Tulemused näitasid, et C/N vähendamine on kasulik KHT ja ammoniaaklämmastiku eemaldamise tõhususe parandamine.
3.3 Hüdrauliline retentsiooniaeg
Hüdrauliline retentsiooniaeg (HRT) määrab aktiivse muda koormuse reaktsioonisüsteemis. Liiga kõrge või liiga madal HAR võib mõjutada ravi efektiivsust ja MBBR-süsteemide ehitus-/operatsioonikulusid. Mõistliku HAR valimine on süsteemi stabiilse toimimise jaoks ülioluline. Van et al. rakendas MBBR põllumajandusliku mitte-punktreostuse kontrollimiseks madalatel temperatuuridel. Uuringud näitasid, et 5 kraadi juures, kui HRT langes, langes saasteainete eemaldamise efektiivsus märkimisväärselt, kusjuures 8 tundi on minimaalne retentsiooniaeg, et tagada nitraadi denitrifikatsioon lämmastikgaasiks. Wang Chuanxin et al. puhastatud olmereovesi anoksilise/aeroobse biokile süsteemiga, keskendudes samaaegse nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni omadustele MBBR-is madalatel temperatuuridel. Tulemused näitasid, et süsteem kohanes hästi hooajaliste temperatuurilangustega, pikendades HRT-d, stabiliseerides heitvee COD ja ammoniaaklämmastiku kontsentratsioone, et need vastaksid standarditele. Shitu kasutas MBBR biokile kandjana uudset käsnatäiteainet, et uurida selle veepuhastusefekti erinevatel HRTdel. Tulemused näitasid, et veepuhastusefektid olid parimad HRT 6 tunni jooksul. Zhao Wenbin et al. näitas, et optimaalne HRT saasteainete eemaldamiseks reoveest MBBR-süsteemide abil madalal temperatuuril oli 24 tundi. Han Lei et al. uuris saasteainete eemaldamise kiirust, kui HRT vähendati 15, 4 tunnilt 11, 0 tunnini DE oksüdatsioonikraavi + MBBR kombineeritud protsessis. Tulemused näitasid, et HRT lühenes saasteainete eemaldamise efektiivsus järk-järgult langes, kuid heitvee kvaliteet võib siiski vastata veekvaliteedi sihtnõuetele, mis peegeldab MBBR-süsteemi tugevat löögikindlust.
3.4 Protsessi kombineerimine
Deng Rui et al. uuris kahe-etapilist A/O-MBBR protsessi olmereovee puhastamiseks. Madala veetemperatuuri ja madala sissevoolu kontsentratsiooni tingimustes näitas see kombineeritud protsess tugevat löögikindlust ja temperatuuri kohanemisvõimet, stabiilset tööd ja mugavat tööd, mis näitab häid kasutusvõimalusi reoveepuhastuses. Luostarinen et al. uuris MBBR protsessi puhastusmõjusid piimatoodete reoveele pärast anaeroobset eeltöötlust madalatel temperatuuridel. Tulemused näitasid, et protsess võib eemaldada 40–70% KHT-st, 50–60% lämmastikust ning Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) ja MBBR kombinatsioon võib eemaldada 92% KHT-st, 99% BHT-st ja 65%–70% lämmastikust. Ru Chun et al. kasutas reoveepuhasti renoveerimiseks modifitseeritud Bardenpho-MBBR + magnetilist laadimissademete protsessi. Süsinikuallika doseerimispunktide reguleerimise ning mitme-punkti sissevoolu ja mitme-punkti tagasivoolu rakendamisega süsteemis saavutati väljastpoolt lisatud süsinikuallikate tõhus kasutamine, tagades nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni efektid 8,7 kraadi juures ning stabiilse heitvee kvaliteedi, mis on väljalaskestandarditest parem.
Järeldus
Madala -temperatuuri tingimustes väheneb mikroobide aktiivsus MBBR-süsteemides ja orgaanilist ainet töötlevate heterotroofsete mikroorganismide ja ammoniaaklämmastikku töötlevate autotroofsete mikroorganismide vahel on ilmselge konkurents. Seetõttu tuleks toorvee saasteainete koostise ja heitvee indikaatorite nõuete põhjal täielikult kaaluda sobivat C/N-i. Heitvee kvaliteedi tagamiseks tuleks rakendada selliseid meetmeid nagu madalal temperatuuril domineerivate tüvede parandamine ja aklimatiseerimine, sihipärane rikastamine ja kandjatel domineerivate populatsioonide arvukuse suurendamine.
Kandja täiustamine on oluline vahend MBBR-süsteemide madalate{0}}temperatuuritaluvuse parandamiseks ja protsessi halvenemise tõhususe suurendamiseks. Spetsiifilised meetmed hõlmavad peamiselt magnetkoormust ja kandjate konstruktsioonitöötlust. Magnetkoormus võib parandada nitrifitseerivate bakterite kinnitumist madalatel temperatuuridel, tugevdada EPS sekretsiooni protsessi ja parandada bakterite aktiivsust; kandja struktuuri ja pinnaomaduste optimeerimine võib kiirendada saasteainete massiülekande efektiivsust, parandada nende võimet tahkuda ja kaitsta mikroobide kooslusi ning säilitada stabiilsemat süsteemi jõudlust.
MBBR-protsessil endal on teatud madala{0}}temperatuuri vastupidavuse omadused. Kuna reoveepuhastite heitvee kvaliteedistandardid pidevalt paranevad, on töötingimuste reguleerimine ja MBBR-i protsesside kombineerimine madalal-temperatuuril muutunud oluliseks uurimistööks protsessi läbimurde jaoks. Erinevat tüüpi reovee jaoks tuleks optimaalsed töötingimused kindlaks määrata tegelike olukordade põhjal. Samal ajal võivad mõistlikud protsessikombinatsioonid tõhusalt suurendada MBBR-süsteemide löögikoormuse vastupidavust, temperatuuri kohanemisvõimet ja süsteemi stabiilsust saasteainete suhtes.