Kutatási előrehaladás az MBBR folyamatműködésével és alkalmazásával kapcsolatban Rendszerek alacsony hőmérsékleten
Áttekintés
A Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) eljárás jelenleg az egyik széles körben használt biofilmes szennyvízkezelési technológia. A hagyományos eleveniszap-eljárásokhoz képest az MBBR olyan előnyöket kínál, mint például a hatékony szennyvízminőség, erős ellenállás a sokkterheléssel szemben, és nincs szükség iszapvisszavezetésre vagy visszamosásra. A téli alacsony-hőmérsékletű időszakban, különösen az északi régiókban és a délnyugati fennsíkon, a levegő hőmérséklete könnyen 5 fok alá, a víz hőmérséklete pedig 15 fok alá süllyedhet. Az alacsony hőmérséklet ahhoz vezethet, hogy az MBBR-rendszerekben a kibocsátási mutatók, például a kémiai oxigénigény (COD), az ammónia-nitrogén és az összes nitrogén nem felelnek meg{6}}. A biofilm nitrogéneltávolítása magában foglalja az aerob nitrifikációt és az anoxikus denitrifikációt, és a hőmérséklet az egyik kulcsfontosságú tényező, amely befolyásolja ezeket a folyamatokat. A hőmérséklet csökkenésével a baktériumok nitrifikációs sebessége az eleveniszapos rendszerekben fokozatosan csökken, és a nitrifikációs kapacitás jelentősen csökken, ha a hőmérséklet 8 fok alá esik. Ez a cikk szisztematikusan kidolgozza az MBBR-folyamatok alacsony hőmérsékletű{11}}körülmények közötti működését, olyan szempontok alapján, mint a mikrobiális közösségek, a hordozójavító technológiák, valamint a folyamatkombinációk és -manipulációk, hivatkozásokat adva a további kutatásokhoz és alkalmazásokhoz.
1. Mikrobaközösségek kutatása alacsony hőmérsékletű MBBR-rendszerekben
Jelenleg a szennyvíztisztító telepek alapvető folyamata a biológiai tisztítás.Az alacsony hőmérséklet télen (15 fok vagy annál kisebb) gátolja a nitrifikáló baktériumok aktivitását a bioreaktorokban, befolyásolja a nitrifikációs folyamatot és korlátozza a rendszer nitrogéneltávolító képességét. A nitrifikáló baktériumok autotróf, hosszú generációs ciklusúak, érzékenyek a hőmérséklet-változásokra, optimális növekedési hőmérsékletük 20-35 fok.
1.1 Mikrobiális aktivitás
Az MBBR reaktorokban a biofilmek a hordozófelületekhez tapadva nőnek, támogatva a mikroorganizmusok növekedését hosszú generációs ciklusokkal, ezáltal növelve a nitrifikáló baktériumok mennyiségét a rendszerben. Az eleveniszapos eljárásokhoz képest az MBBR erősebb nitrifikációs teljesítményt mutat alacsony hőmérsékleten, így széles körben alkalmazzák az alacsony hőmérsékletű szennyvízkezelésben. Az alacsony hőmérséklet az egyik fontos környezeti tényező, amely befolyásolja a reaktor nitrifikációs teljesítményét. A hőmérséklet csökkentése csökkenti a sejtmembrán fluiditását és az enzimkatalízist, csökkenti az anyagszállítást és az anyagcsere sebességét, ezáltal befolyásolja a nukleinsav másodlagos struktúráinak stabilitását és gátolja a DNS replikációját, az mRNS transzkripciót és transzlációt. Amikor a hőmérséklet a citoplazma fagyáspontja alá esik, jégkristályok képződnek a sejtekben, súlyos szerkezeti károsodást okozva. Qiu Tian et al. azt mutattaaz MBBR biofilm ammónia oxidációs és nitrit oxidációs aktivitása 10 fokon 55%-a, illetve 56%-a 20 fokon.. Zheng Zhijia et al. tesztelte az eleveniszap nitrifikációs sebességétszennyvíztisztító telep nyáron (20 fok) és télen (8 fok), megállapította, hogy az ammónia-nitrogén nitrifikációja 8 fokon 48,5%-a a 20 fokosnak. Az alacsony hőmérsékletnek a biokémiai tartályok nitrifikációs képességére gyakorolt hatása két szempontot foglal magában: egyrészt az alacsony hőmérséklet befolyásolja a nitrifikáló baktérium közösségek aktivitását, másrészt a tartós alacsony hőmérséklet csökkenti a nitrifikáló baktériumok populációját az eleveniszapban.
1.2 Mikrobiális közösségek versenye
Mivel a nitrifikáló baktériumok autotrófok, más mikrobiális közösségek jelentősen befolyásolják a nitrifikációs folyamatot, és erősen versenyeznek a nitrifikáló baktériumokkal. Houweling et al. MBBR-eljárási kísérleteket végeztek, amelyek kimutatták, hogy 4 fokon az MBBR-nek van bizonyos nitrifikációs potenciálja, de a heterotróf mikroorganizmusok túlzott szaporodása a rendszerben bizonyos mértékig csökkentette a nitrifikációs sebességet. Shao Shuhai et al. kimutatták, hogy az egyfázisú MBBR nitrogéneltávolító hatása nem ideális a nitrifikáló és heterotróf baktériumok közötti versengés miatt. Han Wenjie et al. MBBR hibrid eljárásokat alkalmazó szennyvíztisztító telepen vizsgálta a mikrobiális közösségek változásait és biológiai eloszlási mintázatait alacsony hőmérsékletű -hőmérsékletű szezonokban, és azt találta, hogy a lebegő hordozó biofilmekben a mikrobafajok száma alacsonyabb, mint az ugyanabból a rendszerből származó eleveniszapos esetében, egyenetlen fajeloszlás mellett. A felfüggesztett hordozók hozzáadása növelte a mikrobiális diverzitást a rendszerben, míg az influens és működési módok bizonyos szelektivitást mutattak a mikrobiális közösség összetételére. Wu Han és mtsai. szimulált háztartási szennyvíztisztítás három szekvenciális szakaszos MBBR reaktorral, különböző töltőanyagokkal. A hőmérséklet fokozatos (25, 20, 15, 10, 6 és 5 fokos) csökkentésével az alacsony hőmérsékletű szennyvíz biofilmjeinek termesztése és akklimatizálása érdekében azt találták, hogy a három reaktorban különböző mikroorganizmusok dominálnak. A nagy-áteresztőképességű szekvenálási eredmények azt mutatták, hogy 5 fokon a szerves anyagokat lebontó mikroorganizmusok voltak túlsúlyban mindhárom reaktorban; az egyik reaktor sikeresen akklimatizálta és feldúsította a pszichofil nitrifikáló baktériumokat, míg a másik kettőben nagyobb volt a nitrogén-{23}}megkötő baktériumok mennyisége, amelyek nem kedveznek a nitrogén eltávolításának.
1.3 Pszikrofil mikroorganizmusok akklimatizációja
Az akklimatizációt és dúsítást javító technológia alacsony hőmérsékletű,{0}}domináns mikrobaközösségek számárahatékony módszer az MBBR működési hatékonyságának és stabilitásának javítására alacsony-hőmérsékletű körülmények között. A progresszív indukció és az optimalizált termesztés révén a domináns populációkat szűrik és alkalmazzák, kihasználva a mikrobiális közösségek erős toleranciáját, hogy csökkentsék az alacsony hőmérsékletek hatását, hosszú távú stabilitási potenciált kínálva. Wang Dan et al. azt találta, hogy a téli alacsony hőmérsékletű{5}}hőmérsékletű eleveniszap hozzáadásával hideg-tűrő mikrobaközösségeket tartalmazó eleveniszapos-biofilm szimbiotikus hibrid bioreaktor olyan előnyökkel jár, mint a gyors indítás, a gyors biofilmképződés és a stabil kezelési hatások. Delatolla et al. felfedezte, hogy a rendszer 1 fokos dekarbonizálása megnöveli a nitrifikáló aktív biomassza mennyiségét, megvastagítja a biofilmet, hatékonyan növeli az életképes sejtek számát alacsony hőmérsékletű{11}}működés közben, és javítja a rendszer nitrifikációs teljesítményét. Ezenkívül az NO, N2H4, NH2OH stb. kulcsfontosságú köztitermékek, amelyek stimulálják az anaerob ammóniumoxidációs (anammox) folyamatot, és enyhítik az anammox baktériumok NO2 általi gátlását. Zekker és munkatársai egy nagy koncentrációjú szennyvizet (ammónia-nitrogén koncentráció 740 mg/l) MBBR rendszerrel kezelve azt találták, hogy a NO hozzáadása jelentősen felgyorsította az anammox folyamatot, és az ammónia -oxidáló baktériumok mennyisége arányosan nőtt a rendszer működése során.
2. Kutatás az MBBR vivőjavítási technológiáiról alacsony hőmérsékleten
A felfüggesztett MBBR töltőanyagok kiválasztása ennek a szennyvízkezelési eljárásnak az egyik alapvető technológiája, és kulcsfontosságú tényező, amely befolyásolja a folyamat hatékonyságát és a tervezési költségeket. Az általánosan használt töltőanyagok közé tartoznak többek között a méhsejt töltőanyagok, a félig{1}}lágy töltőanyagok és az összetett töltőanyagok. A gyakorlati alkalmazások során olyan problémák merülhetnek fel, mint a töltőanyag eltömődése, agglomeráció és az öregedés. Alacsony-hőmérsékletű körülmények között lassabb a biofilm képződése az MBBR töltőanyagokon, ami potenciálisan meghosszabbítja a berendezés indítási időszakát, akadályozza a folyamatok normál működését, ami rossz ütésállóságot eredményez, és nem éri el a várt kezelési hatásokat. Az iparilag használt MBBR felfüggesztett hordozók mérete és alakja változó, és nagy molekulatömegű polimerekből, például nagy -sűrűségű polietilénből (HDPE), polietilénből (PE) vagy polipropilénből (PP) készülnek olyan módszerekkel, mint az olvadékextrudálás vagy granulálás. Ennek a folyamatnak a nagyszabású-mérnöki alkalmazásával a kereskedelmi szolgáltatók sokfélesége fokozatosan bővült. A hordozók tervezése és feldolgozása a vízminőséghez és a mikrobiális növekedési jellemzőkhöz szabható, lehetővé téve a célzott optimalizálást és fejlesztést az MBBR biofilm-rendszerek javítása érdekében alacsony hőmérsékleti körülmények között. A gyakorlati alkalmazásokban a hordozómódosítások elsősorban a fajlagos felület, a hidrofilitás, a bio-affinitás, a mágneses tulajdonságok stb. javítására összpontosítanak, hogy javítsák a hordozóanyag-átadást, a biofilm képződést és a szennyvízkezelési teljesítményt.
2.1 Mágneses terhelés
A jelenlegi kutatások mágneses mezők használatával kutatják az MBBR szennyvízkezelési kapacitásának optimalizálását alacsony hőmérsékleten.Bizonyos erősségű mágneses mezők fokozhatják a szennyezőanyagok eltávolítását a biológiai kezelési folyamatokban. Gyenge mágneses mezők hatására a szerves szennyeződések a mágneses biológiai hordozók felületén mágneses aggregáció és adszorpció révén dúsulnak fel, amelyet mágneses erők, Lorentz-erők és magneto{1}}kolloid hatások segítenek. Megfelelő intenzitási tartományon belül a mágneses mezők javíthatják a mikrobiális oxigén felhasználást, fokozhatják a mikrobiális növekedési anyagcserét és enzimaktivitást, valamint növelhetik a sejtmembrán permeabilitását. Jing Shuangyi et al. tanulmányozta a mágneses hordozók [polietilén, neodímium-vas-bór mágneses por (Nd₂Fe₁₄B) és polikvaternium-10 (PQAS-10) stb.] hozzáadásának összehasonlító hatásait az MBBR reaktorokban lévő kereskedelmi hordozókkal szemben. Az eredmények azt mutatták, hogy alacsony hőmérsékletű körülmények között a mágneses hordozók jelentősen javították a biofilm nitrifikációs aktivitását, elősegítették az extracelluláris polimer anyag (EPS) szekrécióját, valamint fenntartották és javították a biofilm morfológiáját és szerkezetét. A mágneses hordozók több nitrifikáló baktérium nemzetséget gazdagítottak, az ammónia-oxidáló baktériumok és a nitrit-oxidáló baktériumok relatív mennyisége 1,82-szeresére, illetve 1,05-szörösére nőtt a kereskedelmi hordozókhoz képest, és két egyedi nitrifikáló baktérium nemzetséget akklimatizáltak és gazdagítottak.
2.2 A hordozó módosítása
A mágneses terhelés mellett a hagyományos hordozóanyagok, például a polietilén affinitásmódosítása is fontos módja a töltőanyag biofilmképző képességének fokozásának. Sun Bo et al. új nano szuszpendált töltőanyagokat használt az alacsony hőmérsékletű háztartási szennyvíz kezelésére. 10-12 fokos hőmérsékleten a nano töltőanyagok biofilm képződési ideje kevesebb, mint 18 nap volt, rövidebb, mint más töltőanyagok, a rendszer KOI eltávolítási aránya stabilan 75% körüli, ami jó promóciós értéket mutat. Ren Yanqiang et al. erősen hidrofil polimerötvözet anyagokból készült, méhsejt alakú, felfüggesztett töltőanyagokat használtak a szennyvíztisztító telep elsődleges ülepítőtartályából származó szennyvíz alacsony hőmérsékletű{10}}kezelésére. Az eredmények azt mutatták, hogy ezek a szuszpendált töltőanyagok hatékonyan javították a felületaktív mikroorganizmusok kötődési képességét, elősegítve az MBBR folyamat kezelési hatásainak fokozását. Han Xiaoyun et al. fejlett pórusszerkezetű puha poliuretán habot használt immobilizált hordozóként az eleveniszaptól elválasztott hatékony hidegtűrő mikrobiális közösségek rögzítésére. Miután ezt a töltőanyagot a reaktorba adták, a szennyezőanyag-kezelési hatások jelentősen javultak: alacsony hőmérsékleti körülmények között 82%-os KOI-eltávolítási arány és 92%-os biokémiai oxigénigény (BOD) eltávolítási arány. Chen et al. MBBR-eljárást alkalmazott HN-AD baktériumokkal beoltott polivinil-alkohol (PVA) géltöltőanyaggal az állat- és baromfitenyésztési szennyvizek kezelésére eleveniszap helyett. Különböző szén-{24}}/nitrogén arányok (C/N) mellett a különböző hordozók teljesítménye jelentősen eltért. A PVA gél porózus szerkezete védelmet nyújtott a baktériumok ellen, ami stabilabb teljesítményt eredményez. A mikrobiális elemzés kimutatta, hogy a PVA gélhordozókkal végzett MBBR eljárás kedvezett az autotróf baktériumok és a HN-AD baktériumok (Paracoccus és Acinetobacter) növekedésének.
3. Folyamat kombináció és Az MBBR szabályozása alacsony hőmérsékleten
Ez a rendszer egyedi követelményeket támaszt a töltőanyag felületeken történő biofilm képzéssel szemben, kiemelve a folyamatkombináció és a szabályozás fontosságát. Az MBBR-ben a stabil nitrifikáció a folyamatparaméterek és arányok szabályozásával érhető el; az alacsony hőmérséklet hatásainak kompenzálása szigorúbb korlátokkal viszonylag közvetlen és hatékony módszer.
3.1 Levegőztetés
Az MBBR eljárást jelenleg főleg aerob környezetben alkalmazzák. A reaktor levegőztetési sebessége és módszere közvetlenül befolyásolja a rendszer oldott oxigén (DO) tartalmát és a biofilm képződés jellemzőit, ezáltal befolyásolja a szennyező anyagok lebomlási szintjét. Chen Long és munkatársai az ipari szennyvízkezelés során hatékonyan kezelték a biofilmképződés nehézségeit olyan intézkedésekkel, mint például a szakaszos levegőztetés, amellyel 95,5%-os KOI-eltávolítási arányt és 91%-os ammónia-nitrogén-eltávolítási arányt értek el. Persson et al. MBBR-t használt a konyhai hulladék és a feketevíz vegyes szennyvizének kezelésére 10 fokos anaerob előkezelés után, teljes nitrifikációt érve el szakaszos levegőztetéssel. Bian et al. azt találta, hogy a DO és a teljes ammónia-nitrogén koncentrációja közötti állandó arány szabályozása optimalizálta a szennyvíz hatását alacsony hőmérsékleten; amikor a kontroll arány nem haladta meg a 0,17-et, a nitrifikációs folyamat stabil maradt 6 fokon.
3.2 Szén-/Nitrogén arány (C/N)
Nyilvánvaló verseny van a nitrifikáló és heterotróf baktériumok között; ezért a C/N szabályozás fontos paraméterré válik, amely befolyásolja a rendszer szervesanyag- és nitrogénlebomlása közötti egyensúlyt. Chen et al. kimutatta, hogy az MBBR rendszerekben, amikor a C/N 4-15 között volt, a KOI eltávolítási arány 90% felett volt. Amikor a C/N 1-re csökkent, a KOI eltávolítási sebesség jelentősen csökkent. A rendszer ammónia-nitrogén eltávolítási hatékonysága először nőtt, majd a C/N csökkentésével csökkent. Chen et al. feltárta a C/N hatását a tengeri szennyvizet kezelő A/O{10}}MBBR reaktor teljesítményére.Az eredmények azt mutatták, hogy a C/N csökkentése van számára előnyös javítja a KOI és az ammónia nitrogén eltávolítási hatékonyságát.
3.3 Hidraulikus tartási idő
A hidraulikus retenciós idő (HRT) határozza meg az aktíviszap-terhelést a reakciórendszeren belül. A túl magas vagy túl alacsony HRT befolyásolhatja az MBBR rendszerek kezelési hatékonyságát és építési/működési költségeit. Az ésszerű HRT kiválasztása kulcsfontosságú a rendszer stabil működéséhez. Van et al. MBBR-t alkalmaztak a mezőgazdasági nem-pontos eredetű szennyezések alacsony hőmérsékleten történő csökkentésére. A kutatások kimutatták, hogy 5 fokos hőmérsékleten, ahogy a HRT csökkent, a szennyezőanyag-eltávolítási hatékonyság jelentősen csökkent, és 8 óra a minimális retenciós idő a nitrát nitrogéngázzá történő denitrifikációjának biztosításához. Wang Chuanxin et al. tisztított háztartási szennyvíz anoxikus/aerob biofilm rendszerrel, az egyidejű nitrifikáció és denitrifikáció jellemzőire fókuszálva MBBR-ben alacsony hőmérsékleten. Az eredmények azt mutatták, hogy a rendszer jól alkalmazkodott a szezonális hőmérséklet-esésekhez a HRT kiterjesztésével, a szennyvíz KOI és ammónia-nitrogén koncentrációjának stabilizálásával, hogy megfeleljen a szabványoknak. Shitu egy új szivacsos töltőanyagot használt MBBR biofilm hordozóként, hogy megvizsgálja annak vízkezelési hatását különböző HRT-knél. Az eredmények azt mutatták, hogy a vízkezelési hatások 6 órás HRT-nél voltak a legjobbak. Zhao Wenbin et al. kimutatták, hogy az optimális HRT a szennyvízből az MBBR-rendszerek által alacsony hőmérsékletű{16}}hőmérséklet mellett 24 óra volt. Han Lei et al. tanulmányozta a szennyezőanyag eltávolítási sebességet, amikor a HRT-t 15,4 óráról 11,0 órára csökkentették egy DE oxidációs árok + MBBR kombinált eljárásban. Az eredmények azt mutatták, hogy a HRT lerövidülésével a szennyezőanyag-eltávolítás hatékonysága fokozatosan csökkent, de a szennyvíz minősége továbbra is megfelelt a vízminőségi célkövetelményeknek, tükrözve az MBBR rendszer erős ütésállóságát.
3.4 Folyamatkombináció
Deng Rui et al. egy két-lépcsős A/O-MBBR eljárást tanulmányozott a települési szennyvíz kezelésére. Alacsony vízhőmérséklet és alacsony befolyó koncentráció mellett ez a kombinált eljárás erős lökésterhelési ellenállást és hőmérsékleti alkalmazkodóképességet, stabil működést és kényelmes működést mutatott, ami jó alkalmazási kilátásokat mutatott a szennyvízkezelésben. Luostarinen et al. az MBBR eljárás tejipari szennyvízre gyakorolt kezelési hatásait tanulmányozta alacsony hőmérsékleten végzett anaerob előkezelés után. Az eredmények azt mutatták, hogy az eljárás a KOI 40–70%-át, a nitrogén 50–60%-át, az Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) és az MBBR kombinációja pedig a KOI 92%-át, a BOI 99%-át és a nitrogén 65–70%-át képes eltávolítani. Ru Chun és mtsai. módosított Bardenpho-MBBR + mágneses terhelésű csapadékeljárást alkalmazott egy szennyvíztisztító telep felújítására. A szénforrás adagolási pontjainak beállításával, valamint a több-pontos beáramlás és a több-pontos reflux bevezetésével a külsőleg hozzáadott szénforrások hatékony kihasználása valósult meg, 8,7 fokos nitrifikációs és denitrifikációs hatást biztosítva, a kibocsátási szabványoknál jobb stabil kibocsátási minőség mellett.
Következtetés
Alacsony-hőmérsékletű körülmények között az MBBR-rendszerekben csökken a mikrobiális aktivitás, és nyilvánvaló a verseny a szerves anyagokat kezelő heterotróf mikroorganizmusok és az ammónia-nitrogént kezelő autotróf mikroorganizmusok között. Ezért a nyersvíz-szennyező anyagok összetétele és a szennyvíz indikátorok követelményei alapján a megfelelő C/N-t teljes mértékben mérlegelni kell. Olyan intézkedéseket kell bevezetni, mint az alacsony hőmérsékletű domináns törzsek javítása és akklimatizálása, a célzott dúsítás és a hordozókon lévő domináns populációk számának növelése a szennyvíz minőségének biztosítása érdekében.
A hordozók javítása fontos eszköz az MBBR-rendszerek alacsony{0}}hőmérséklet-tűrésének és a folyamatok leromlásának hatékonyságának javítására. Az egyedi intézkedések főként a mágneses terhelést és a hordozók szerkezeti kezelését foglalják magukban. A mágneses terhelés fokozhatja a nitrifikáló baktériumok megtapadását alacsony hőmérsékleten, erősítheti az EPS szekréciós folyamatot és javíthatja a baktériumok aktivitását; a hordozószerkezet és a felületi tulajdonságok optimalizálása felgyorsíthatja a szennyezőanyag-anyagátvitel hatékonyságát, javíthatja a mikrobiális közösségek megszilárdítására és védelmére való képességüket, valamint stabilabb rendszerteljesítményt tarthat fenn.
Maga az MBBR-folyamat is rendelkezik bizonyos alacsony{0}}hőmérsékletállósági jellemzőkkel. A szennyvíztisztító telepekre vonatkozó szennyvízminőségi szabványok folyamatosan javulásával azonban a munkakörülmények beállítása és az MBBR folyamatkombinációja alacsony hőmérsékletű-hőmérséklet mellett fontos kutatási tartalommá vált a folyamatok áttörése érdekében. Különböző típusú szennyvíz esetén az optimális munkakörülményeket a tényleges helyzetek alapján kell meghatározni. Eközben az ésszerű folyamatkombinációk hatékonyan növelhetik az MBBR rendszerek ütésállóságát, hőmérsékleti alkalmazkodóképességét és rendszerstabilitását a szennyező anyagokkal szemben.