Pētniecības progress par procesu darbību un MBBR piemērošanu Sistēmas zemā temperatūrā
Pārskats
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) process ir viena no pašlaik plaši izmantotajām bioplēves notekūdeņu attīrīšanas tehnoloģijām. Salīdzinājumā ar parastajiem aktīvo dūņu procesiem, MBBR piedāvā tādas priekšrocības kā efektīva notekūdeņu kvalitāte, spēcīga izturība pret trieciena slodzēm un nav prasības pēc dūņu atgriešanas vai pretskalošanas. Zemās -temperatūras periodā ziemā, īpaši ziemeļu reģionos un dienvidrietumu plakankalnēs, gaisa temperatūra var viegli pazemināties zem 5 grādiem, bet ūdens temperatūra var pazemināties zem 15 grādiem. Zemas temperatūras var izraisīt tādu notekūdeņu indikatoru-atbilstību kā ķīmiskais skābekļa patēriņš (ĶSP), amonjaka slāpeklis un kopējais slāpeklis MBBR sistēmās. Bioplēves slāpekļa noņemšana ietver aerobo nitrifikāciju un anoksisko denitrifikāciju, un temperatūra ir viens no galvenajiem faktoriem, kas ietekmē šos procesus. Temperatūrai pazeminoties, baktēriju nitrifikācijas ātrums aktīvo dūņu sistēmās pakāpeniski samazinās, ievērojami samazinot nitrifikācijas kapacitāti, kad temperatūra nokrītas zem 8 grādiem. Šajā rakstā ir sistemātiski apskatīta MBBR procesu darbība zemas temperatūras apstākļos no tādiem aspektiem kā mikrobu kopienas, nesēju uzlabošanas tehnoloģijas un procesu kombinācijas un manipulācijas, sniedzot atsauces turpmākai izpētei un pielietošanai.
1. Pētījums par mikrobu kopienām zemas temperatūras MBBR sistēmās
Pašlaik pamatprocess notekūdeņu attīrīšanas iekārtās ir bioloģiskā attīrīšana.Zema temperatūra ziemā (mazāka vai vienāda ar 15 grādiem) kavē nitrificējošo baktēriju darbību bioreaktoros, ietekmējot nitrifikācijas procesu un ierobežojot sistēmas slāpekļa atdalīšanas spēju.. Nitrificējošās baktērijas ir autotrofiskas ar gariem ģenerēšanas cikliem un ir jutīgas pret temperatūras izmaiņām, un optimālais augšanas temperatūras diapazons ir 20–35 grādi.
1.1. Mikrobu aktivitāte
Bioplēves MBBR reaktoros aug piestiprinātas pie nesējvirsmām, atbalstot mikroorganismu augšanu ar gariem ģenerēšanas cikliem, tādējādi palielinot nitrificējošo baktēriju saturu sistēmā. Salīdzinot ar aktīvo dūņu procesiem, MBBR uzrāda spēcīgāku nitrifikācijas veiktspēju zemās temperatūrās, tāpēc to plaši izmanto zemas temperatūras notekūdeņu attīrīšanā. Zema temperatūra ir viens no svarīgākajiem vides faktoriem, kas ietekmē šī reaktora nitrifikācijas veiktspēju. Temperatūras pazemināšana samazina šūnu membrānas plūstamību un enzīmu katalīzi, samazina materiālu transportēšanu un vielmaiņas ātrumu, tādējādi ietekmējot nukleīnskābju sekundāro struktūru stabilitāti un kavējot DNS replikāciju, mRNS transkripciju un translāciju. Kad temperatūra nokrītas zem citoplazmas sasalšanas punkta, šūnās veidojas ledus kristāli, izraisot smagus struktūras bojājumus. Qiu Tian et al. to parādījaMBBR bioplēves amonjaka oksidācijas un nitrītu oksidācijas aktivitātes 10 grādos bija attiecīgi 55% un 56% no tām 20 grādos.. Zheng Zhijia et al. gadā pārbaudīja aktīvo dūņu nitrifikācijas ātrumusnotekūdeņu attīrīšanas iekārta vasarā (20 grādi) un ziemā (8 grādi), konstatējot, ka amonjaka slāpekļa nitrifikācijas ātrums 8 grādos ir 48,5% no 20 grādu temperatūras.. Zemas temperatūras ietekme uz bioķīmisko tvertņu nitrifikācijas kapacitāti ietver divus aspektus: pirmkārt, zemā temperatūra ietekmē nitrificējošo baktēriju kopienu darbību, otrkārt, ilgstoša zemā temperatūra samazina nitrificējošo baktēriju populāciju aktīvajās dūņās.
1.2. Mikrobu kopienas konkurence
Tā kā nitrificējošās baktērijas ir autotrofiskas, citas mikrobu kopienas būtiski ietekmē nitrifikācijas procesu un spēcīgi konkurē ar nitrificējošām baktērijām. Houvelings et al. veica MBBR procesa eksperimentus, parādot, ka 4 grādos MBBR ir zināms nitrifikācijas potenciāls, bet pārmērīga heterotrofo mikroorganismu augšana sistēmā zināmā mērā samazināja nitrifikācijas ātrumu. Shao Shuhai et al. norādīja, ka vienas -posma MBBR slāpekļa noņemšanas efekts nav ideāls konkurences dēļ starp nitrificējošām un heterotrofiskām baktērijām. Han Wenjie et al. pētīja mikrobu kopienas izmaiņas un bioloģiskās izplatības modeļus notekūdeņu attīrīšanas iekārtās, izmantojot MBBR hibrīdprocesus zemas temperatūras sezonās, atklājot, ka mikrobu sugu skaits suspendēto nesēju bioplēvēs bija mazāks nekā aktīvās dūņās no tās pašas sistēmas ar nevienmērīgu sugu sadalījumu. Suspendēto nesēju pievienošana uzlaboja mikrobu daudzveidību sistēmā, savukārt ietekmīgajiem un darbības režīmiem bija noteikta selektivitāte attiecībā uz mikrobu kopienas sastāvu. Wu Han et al. simulēta sadzīves notekūdeņu attīrīšana, izmantojot trīs secīgus MBBR reaktorus ar dažādiem pildvielu veidiem. Pakāpeniski samazinot temperatūru (25, 20, 15, 10, 6 un 5 grādi), lai kultivētu un aklimatizētu bioplēves zemas temperatūras notekūdeņiem, viņi atklāja, ka trijos reaktoros dominē dažādi mikroorganismi. Augstas -caurlaidības sekvencēšanas rezultāti liecināja, ka 5 grādu temperatūrā mikroorganismi, kas noārda organiskās vielas, dominēja visos trīs reaktoros; viens reaktors veiksmīgi aklimatizēja un bagātināja psihrofilās nitrificējošās baktērijas, bet pārējos divos bija lielāks slāpekli{23}}fiksējošo baktēriju daudzums, kas nebija labvēlīgas slāpekļa noņemšanai.
1.3. Psihrofilo mikroorganismu aklimatizācija
Aklimatizācijas un bagātināšanas uzlabošanas tehnoloģija zemas temperatūras{0}}dominējošām mikrobu kopienāmir efektīva metode, lai uzlabotu MBBR darbības efektivitāti un stabilitāti zemas-temperatūras apstākļos. Izmantojot progresīvu indukciju un optimizētu kultivēšanu, dominējošās populācijas tiek pārbaudītas un izmantotas, izmantojot spēcīgo mikrobu kopienu toleranci, lai samazinātu zemas temperatūras ietekmi, piedāvājot ilgtermiņa stabilitātes potenciālu. Van Dans u.c. konstatēja, ka ziemas zemas -temperatūras apstākļos, pievienojot aktīvās dūņas, kas satur aukstumu-izturīgas mikrobu kopienas, lai iegūtu aktīvo dūņu-bioplēves simbiotisku hibrīda bioreaktoru, tika piedāvātas tādas priekšrocības kā ātra palaišana, ātra bioplēves veidošanās un stabili apstrādes efekti. Delatolla et al. atklāja, ka sistēmas dekarbonizācija pie 1 grāda palielināja nitrificējošās aktīvās biomasas daudzumu, sabiezina bioplēvi, efektīvi palielināja dzīvotspējīgo šūnu skaitu zemas temperatūras darbības laikā un uzlaboja sistēmas nitrifikācijas veiktspēju. Turklāt NO, N2H4, NH2OH utt. ir galvenie starpprodukti, kas stimulē anaerobās amonija oksidācijas (anammox) procesu un mazina anammoksa baktēriju inhibīciju ar NO₂. Zekker et al. pētījumā, kurā apstrādāja augstas -koncentrācijas notekūdeņus (amonjaka slāpekļa koncentrācija 740 mg/L) ar MBBR sistēmu, atklāja, ka NO pievienošana ievērojami paātrināja anammoksa procesu un sistēmas darbības laikā proporcionāli palielinājās amonjaku oksidējošo baktēriju daudzums.
2. Pētījumi par nesēja uzlabošanas tehnoloģijām MBBR zemā temperatūrā
Piekaramo MBBR pildvielu izvēle ir viena no šī procesa pamattehnoloģijām notekūdeņu attīrīšanai un galvenais faktors, kas ietekmē procesa efektivitāti un inženiertehniskās izmaksas. Parasti izmantotie pildvielu veidi ir šūnveida pildvielas, daļēji{1}}mīkstās pildvielas un kompozītmateriālu pildvielas. Praktiski lietojumi var saskarties ar tādām problēmām kā pildvielas aizsērēšana, aglomerācija un novecošana. Zemas -temperatūras apstākļos bioplēves veidošanās uz MBBR pildvielām ir lēnāka, iespējams, pagarinot iekārtas palaišanas periodus, kavējot normālu procesa darbību, kā rezultātā ir vāja triecienslodzes izturība un netiek sasniegts paredzamais apstrādes efekts. Rūpnieciski izmantotie MBBR suspendētie nesēji atšķiras pēc izmēra un formas, un tie ir izgatavoti no lielmolekulāriem polimēriem, piemēram, augsta -blīvuma polietilēna (HDPE), polietilēna (PE) vai polipropilēna (PP), izmantojot tādas metodes kā kausējuma ekstrūzija vai granulēšana. Pateicoties šī procesa plaša mēroga-inženierijas pielietojumam, komerciālo pakalpojumu sniedzēju daudzveidība ir pakāpeniski palielinājusies. Nesēja dizainu un apstrādi var pielāgot ūdens kvalitātei un mikrobu augšanas īpašībām, nodrošinot mērķtiecīgu optimizāciju un uzlabošanu, lai uzlabotu MBBR bioplēves sistēmas zemas temperatūras apstākļos. Praktiskā lietošanā nesēju modifikācijas galvenokārt koncentrējas uz īpatnējās virsmas laukuma, hidrofilitātes, bio-afinitātes, magnētisko īpašību u.c. uzlabošanu, lai uzlabotu nesēja masas pārnesi, bioplēves veidošanos un notekūdeņu attīrīšanas veiktspēju.
2.1 Magnētiskā slodze
Pašreizējie pētījumi ir pētījuši magnētisko lauku izmantošanu, lai optimizētu MBBR notekūdeņu attīrīšanas jaudu zemā temperatūrā.Noteiktas stiprības magnētiskie lauki var uzlabot piesārņojošo vielu noņemšanu bioloģiskās attīrīšanas procesos. Vājos magnētiskajos laukos organiskie piesārņotāji tiek bagātināti uz magnētisko bioloģisko nesēju virsmas, izmantojot magnētisko agregāciju un adsorbciju, ko veicina magnētiskie spēki, Lorenca spēki un magneto{1}}koloidālie efekti. Atbilstošā intensitātes diapazonā magnētiskie lauki var uzlabot mikrobu skābekļa izmantošanu, uzlabot mikrobu augšanas metabolismu un enzīmu aktivitāti, kā arī palielināt šūnu membrānas caurlaidību. Jing Shuangyi et al. pētīja magnētisko nesēju [polietilēna, neodīma dzelzs bora magnētiskā pulvera (Nd₂Fe₁₄B) un polikvaternija -10 (PQAS-10) u.c.] pievienošanas salīdzinošo ietekmi, salīdzinot ar komerciālajiem nesējiem MBBR reaktoros. Rezultāti parādīja, ka zemas temperatūras apstākļos magnētiskie nesēji ievērojami uzlaboja bioplēves nitrifikācijas aktivitāti, veicināja ekstracelulāro polimēru vielu (EPS) sekrēciju, kā arī saglabāja un uzlaboja bioplēves morfoloģiju un struktūru. Magnētiskie nesēji bagātināja vairāk nitrificējošo baktēriju ģinšu, un relatīvais amonjaku oksidējošo baktēriju un nitrītu oksidējošo baktēriju daudzums palielinājās attiecīgi 1,82 reizes un 1,05 reizes, salīdzinot ar komerciālajiem nesējiem, un aklimatizēja un bagātināja divas unikālas nitrificējošo baktēriju ģintis.
2.2. Pārvadātāja modifikācija
Papildus magnētiskajai slodzei tradicionālo nesējmateriālu, piemēram, polietilēna, afinitātes modifikācija ir arī svarīgs veids, kā uzlabot pildvielas bioplēves veidošanās veiktspēju. Sun Bo et al. izmantoja jaunas nano suspendētās pildvielas, lai attīrītu zemas -temperatūras sadzīves notekūdeņus. Pie 10–12 grādiem bioplēves veidošanās periods nanopildvielām bija mazāks par 18 dienām, kas ir īsāks nekā citiem pildvielām, un sistēmas ĶSP noņemšanas ātrums ir stabils aptuveni 75%, parādot labu veicināšanas vērtību. Ren Yanqiang et al. izmantoja šūnveida suspendētās pildvielas, kas izgatavotas no ļoti hidrofiliem polimēru sakausējumu materiāliem, lai attīrītu notekūdeņus no notekūdeņu attīrīšanas iekārtas primārās sedimentācijas tvertnes zemas{10}}temperatūras apstākļos. Rezultāti liecināja, ka šīs suspendētās pildvielas efektīvi uzlaboja virsmas aktīvo mikroorganismu piesaistes spēju, palīdzot uzlabot MBBR procesa apstrādes efektus. Han Xiaoyun et al. izmantoja mīkstas poliuretāna putas ar attīstītu poru struktūru kā imobilizētu nesēju, lai fiksētu efektīvas aukstumizturīgas mikrobu kopienas, kas atdalītas no aktīvajām dūņām. Pēc šīs pildvielas pievienošanas reaktoram ievērojami uzlabojās piesārņojošo vielu attīrīšanas efekti — ĶSP noņemšanas ātrums bija 82% un bioķīmiskā skābekļa patēriņa (BOS) atdalīšanas līmenis zemas temperatūras apstākļos bija 92%. Chen et al. izmantoja MBBR procesu ar polivinilspirta (PVA) gēla pildvielu, kas inokulēta ar HN-AD baktērijām, lai apstrādātu mājlopu un mājputnu audzēšanas notekūdeņus, nevis aktīvās dūņas. Dažādās oglekļa -un -slāpekļa attiecībās (C/N) dažādu nesēju veiktspēja ievērojami atšķīrās. PVA gēla porainā struktūra nodrošināja aizsardzību pret baktērijām, tādējādi nodrošinot stabilāku darbību. Mikrobu analīze parādīja, ka MBBR process ar PVA gēla nesējiem veicināja autotrofisko baktēriju un HN-AD baktēriju (Paracoccus un Acinetobacter) vairošanos.
3. Procesu kombinācija un MBBR regulēšana zemā temperatūrā
Šai sistēmai ir unikālas prasības bioplēves veidošanai uz pildvielu virsmām, uzsverot procesa kombinēšanas un regulēšanas nozīmi. Stabilu nitrifikāciju MBBR var panākt, regulējot procesa parametrus un attiecības; zemas temperatūras ietekmes kompensēšana ar stingrākiem ierobežojumiem ir samērā tieša un efektīva metode.
3.1. Aerācija
MBBR process pašlaik galvenokārt tiek izmantots aerobā vidē. Aerācijas ātrums un metode reaktorā tieši ietekmē izšķīdušā skābekļa (DO) saturu sistēmā un bioplēves veidošanās raksturlielumus, tādējādi ietekmējot piesārņojošo vielu noārdīšanās līmeni. Chen Long et al. rūpniecisko notekūdeņu attīrīšanas laikā efektīvi risināja grūtības bioplēves veidošanā, izmantojot tādus pasākumus kā partijas aerācija, panākot ĶSP noņemšanas ātrumu 95, 5% un amonjaka slāpekļa atdalīšanas ātrumu 91%. Persson et al. izmantoja MBBR, lai attīrītu jauktos notekūdeņus no virtuves atkritumiem un melnā ūdens pēc anaerobās pirmapstrādes 10 grādu temperatūrā, panākot pilnīgu nitrifikāciju ar periodisku aerāciju. Bian et al. konstatēja, ka, kontrolējot nemainīgu attiecību starp DO un kopējo amonjaka slāpekļa koncentrāciju, tika optimizēta notekūdeņu ietekme zemā temperatūrā; kad kontroles koeficients nepārsniedza 0,17, nitrifikācijas process saglabājās stabils pie 6 grādiem.
3.2. Oglekļa-pret-slāpekļa attiecība (C/N)
Pastāv acīmredzama konkurence starp nitrificējošām un heterotrofiskām baktērijām; tāpēc C/N regulēšana kļūst par svarīgu parametru, kas ietekmē līdzsvaru starp organisko vielu un slāpekļa noārdīšanos sistēmā. Chen et al. parādīja, ka MBBR sistēmās, kad C / N bija no 4 līdz 15, ĶSP noņemšanas līmenis bija virs 90%. Kad C/N samazinājās līdz 1, ĶSP noņemšanas ātrums ievērojami samazinājās. Sistēmas amonjaka slāpekļa noņemšanas efektivitāte vispirms palielinājās un pēc tam samazinājās, samazinot C/N. Chen et al. pētīja C/N ietekmi uz A/O{10}}MBBR reaktora darbību, kas attīra jūrniecības notekūdeņus.Rezultāti liecināja, ka C/N samazināšana ir izdevīgi uzlabojot ĶSP un amonjaka slāpekļa atdalīšanas efektivitāti.
3.3. Hidrauliskās aiztures laiks
Hidrauliskais aiztures laiks (HRT) nosaka aktīvo dūņu slodzi reakcijas sistēmā. Pārāk augsta vai pārāk zema HAT var ietekmēt MBBR sistēmu ārstēšanas efektivitāti un būvniecības/ekspluatācijas izmaksas. Saprātīga HAT izvēle ir ļoti svarīga stabilai sistēmas darbībai. Van et al. izmantoja MBBR lauksaimniecības ne-punktveida piesārņojuma kontrolei zemā temperatūrā. Pētījumi parādīja, ka pie 5 grādiem, samazinoties HAT, piesārņotāju noņemšanas efektivitāte ievērojami samazinājās, un 8 stundas ir minimālais aiztures laiks, lai nodrošinātu nitrātu denitrizāciju par slāpekļa gāzi. Vans Čuaņsjēns et al. attīrīti sadzīves notekūdeņi ar anoksisku/aerobo bioplēves sistēmu, koncentrējoties uz vienlaicīgas nitrifikācijas un denitrifikācijas īpašībām MBBR zemā temperatūrā. Rezultāti parādīja, ka sistēma labi pielāgojās sezonas temperatūras kritumiem, paplašinot HAT, stabilizējot notekūdeņu ĶSP un amonjaka slāpekļa koncentrāciju, lai tā atbilstu standartiem. Shitu izmantoja jaunu sūkļa pildvielu kā MBBR bioplēves nesēju, lai pētītu tā ūdens attīrīšanas efektu dažādos HAT. Rezultāti liecināja, ka ūdens attīrīšanas efekts bija vislabākais HAT pēc 6 stundām. Zhao Wenbin et al. parādīja, ka optimālā HAT piesārņojošo vielu noņemšanai notekūdeņos ar MBBR sistēmām zemas temperatūras apstākļos bija 24 stundas. Han Lei et al. pētīja piesārņotāju noņemšanas ātrumu, kad HAT tika samazināts no 15, 4 stundām līdz 11, 0 stundām DE oksidācijas grāvī + MBBR kombinētajā procesā. Rezultāti parādīja, ka, samazinoties HAT, piesārņotāju noņemšanas efektivitāte pakāpeniski samazinājās, bet notekūdeņu kvalitāte joprojām atbilst ūdens kvalitātes mērķa prasībām, atspoguļojot MBBR sistēmas spēcīgo triecienslodzes izturību.
3.4 Procesu kombinācija
Deng Rui et al. pētīja divu-pakāpju A/O-MBBR procesu sadzīves notekūdeņu attīrīšanai. Zemas ūdens temperatūras un zemas ieplūdes koncentrācijas apstākļos šis kombinētais process demonstrēja spēcīgu triecienslodzes izturību un spēju pielāgoties temperatūrai, stabilu darbību un ērtu darbību, parādot labas pielietojuma iespējas notekūdeņu attīrīšanā. Luostarinens u.c. pētīja MBBR procesa attīrīšanas ietekmi uz piena notekūdeņiem pēc anaerobās pirmapstrādes zemā temperatūrā. Rezultāti parādīja, ka process var noņemt 40–70% ĶSP, 50–60% slāpekļa, un Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) un MBBR kombinācija var noņemt 92% ĶSP, 99% BSP un 65%–70% slāpekļa. Ru Čuns u.c. izmantoja modificētu Bardenpho-MBBR + magnētiskās slodzes nokrišņu procesu, lai atjaunotu notekūdeņu attīrīšanas iekārtu. Pielāgojot oglekļa avota dozēšanas punktus un ieviešot daudzpunktu ieplūdes un daudzpunktu atteces sistēmu, tika panākta efektīva ārēji pievienotā oglekļa avotu izmantošana, nodrošinot nitrifikācijas un denitrifikācijas efektus 8,7 grādos, ar stabilu notekūdeņu kvalitāti, kas ir labāka par izplūdes standartiem.
Secinājums
Zemas -temperatūras apstākļos mikrobu aktivitāte MBBR sistēmās samazinās, un pastāv acīmredzama konkurence starp heterotrofiskiem mikroorganismiem, kas apstrādā organiskās vielas, un autotrofiskiem mikroorganismiem, kas apstrādā amonjaka slāpekli. Tāpēc, pamatojoties uz neapstrādāta ūdens piesārņotāju sastāvu un notekūdeņu indikatoru prasībām, pilnībā jāapsver piemērota C/N. Lai nodrošinātu notekūdeņu kvalitāti, galvenajiem rādītājiem ir jāievieš tādi pasākumi kā zemas-temperatūras dominējošo celmu uzlabošana un aklimatizācija, mērķtiecīga bagātināšana un dominējošo populāciju pārpilnības palielināšana uz nesējiem.
Mobilo sakaru operatora uzlabošana ir svarīgs līdzeklis, lai uzlabotu MBBR sistēmu zemas -temperatūras toleranci un uzlabotu procesa degradācijas efektivitāti. Īpaši pasākumi galvenokārt ietver magnētisko slodzi un nesēju strukturālo apstrādi. Magnētiskā slodze var uzlabot nitrificējošo baktēriju piesaisti zemā temperatūrā, stiprināt EPS sekrēcijas procesu un uzlabot baktēriju aktivitāti; nesēja struktūras un virsmas īpašību optimizēšana var paātrināt piesārņojošo vielu masas pārneses efektivitāti, uzlabot to spēju sacietēt un aizsargāt mikrobu kopienas un uzturēt stabilāku sistēmas darbību.
Pašam MBBR procesam piemīt noteiktas zemas{0}}temperatūras izturības īpašības. Tomēr, nepārtraukti uzlabojot notekūdeņu kvalitātes standartus notekūdeņu attīrīšanas iekārtām, darba apstākļu pielāgošana un MBBR procesa kombinācija zemas-temperatūras apstākļos ir kļuvusi par svarīgu pētniecības saturu procesa izrāvienam. Dažādiem notekūdeņu veidiem optimālie darba apstākļi jānosaka, pamatojoties uz faktiskajām situācijām. Tikmēr saprātīgas procesu kombinācijas var efektīvi uzlabot MBBR sistēmu triecienslodzes izturību, spēju pielāgoties temperatūrai un sistēmas stabilitāti pret piesārņotājiem.