Прогресс исследований в области технологического процесса и применения MBBR Системы при низких температурах
Обзор
Процесс биопленочного реактора с подвижным слоем (MBBR) в настоящее время является одной из широко используемых технологий очистки сточных вод от биопленок. По сравнению с традиционными процессами с активным илом, MBBR предлагает такие преимущества, как эффективное качество сточных вод, высокая устойчивость к ударным нагрузкам и отсутствие необходимости возврата ила или обратной промывки. В период низких-температур зимой, особенно в северных регионах и на юго-западных плато, температура воздуха может легко упасть ниже 5 градусов, а температура воды может упасть ниже 15 градусов. Низкие температуры могут привести к не-соответствию показателей выбросов, таких как химическая потребность в кислороде (ХПК), аммиачного азота и общего азота в системах MBBR. Удаление азота из биопленки включает аэробную нитрификацию и аноксическую денитрификацию, а температура является одним из ключевых факторов, влияющих на эти процессы. По мере снижения температуры скорость нитрификации бактерий в системах активного ила постепенно снижается, при этом способность нитрификации значительно снижается, когда температура падает ниже 8 градусов. В этой статье систематически рассматривается работа процессов MBBR в условиях низких-температур с таких аспектов, как микробные сообщества, технологии улучшения носителей, а также комбинации процессов и манипуляций, а также предоставляются ссылки для дальнейших исследований и применения.
1. Исследование микробных сообществ в низкотемпературных системах MBBR.
В настоящее время основным процессом на очистных сооружениях является биологическая очистка.Низкие температуры зимой (менее 15 градусов или равные) подавляют активность нитрифицирующих бактерий в биореакторах, влияя на процесс нитрификации и ограничивая способность системы удалять азот.. Нитрифицирующие бактерии автотрофны с длительными циклами генерации и чувствительны к изменениям температуры, оптимальная температура роста составляет 20–35 градусов.
1.1 Микробная активность
Биопленки в реакторах МББР прикрепляются к поверхностям носителя, поддерживая рост микроорганизмов с длительными циклами генерации, тем самым увеличивая содержание нитрифицирующих бактерий в системе. По сравнению с процессами с активным илом, MBBR демонстрирует более высокую эффективность нитрификации при низких температурах, что делает его широко используемым при низко-очистке сточных вод. Низкая температура является одним из важных факторов окружающей среды, влияющих на эффективность нитрификации этого реактора. Снижение температуры приводит к снижению текучести клеточных мембран и ферментативного катализа, снижению транспорта материалов и скорости метаболизма, тем самым влияя на стабильность вторичных структур нуклеиновых кислот и ингибируя репликацию ДНК, транскрипцию и трансляцию мРНК. Когда температура падает ниже точки замерзания цитоплазмы, внутри клеток образуются кристаллы льда, вызывающие серьезные структурные повреждения. Исследования Qiu Tian et al. показал, чтоАктивность окисления аммиака и нитрита биопленки MBBR при 10 градусах составила 55% и 56% от активности при 20 градусах соответственно.. Чжэн Чжицзя и др. проверили скорость нитрификации активного ила вустановка по очистке сточных вод летом (20 градусов) и зимой (8 градусов), обнаружив, что скорость нитрификации аммиачного азота при 8 градусах составляла 48,5% от уровня при 20 градусах.. Влияние низкой температуры на нитрификационную способность биохимических резервуаров включает два аспекта: во-первых, низкая температура влияет на активность сообществ нитрифицирующих бактерий, во-вторых, продолжительные низкие температуры снижают численность нитрифицирующих бактерий в активном иле.
1.2 Конкурс микробного сообщества
Поскольку нитрифицирующие бактерии являются автотрофами, другие микробные сообщества существенно влияют на процесс нитрификации и активно конкурируют с нитрифицирующими бактериями. Хаувелинг и др. провели эксперименты по процессу МББР, показавшие, что при 4 степени МББР обладает определенным потенциалом нитрификации, но чрезмерный рост гетеротрофных микроорганизмов внутри системы в некоторой степени снижает скорость нитрификации. Шао Шухай и др. показали, что эффект удаления азота одноэтапным MBBR не идеален из-за конкуренции между нитрифицирующими и гетеротрофными бактериями. Хан Вэньцзе и др. изучили изменения микробного сообщества и закономерности биологического распределения на очистных сооружениях с использованием гибридных процессов MBBR в сезоны низких-температур и обнаружили, что количество видов микробов в биопленках суспендированного носителя было ниже, чем в активном иле из той же системы, с неравномерным распределением видов. Добавление взвешенных носителей увеличивало микробное разнообразие в системе, в то время как режимы притока и работы имели определенную избирательность в отношении состава микробного сообщества. У Хань и др. смоделирована очистка бытовых сточных вод с использованием трех последовательных реакторов МББР периодического действия с различными типами наполнителей. Постепенно снижая температуру (25, 20, 15, 10, 6 и 5 градусов) для выращивания и акклиматизации биопленок для низкотемпературных сточных вод, они обнаружили, что в трех реакторах доминируют разные микроорганизмы. Результаты высокопроизводительного секвенирования показали, что при температуре 5 во всех трех реакторах преобладали микроорганизмы, разлагающие органические вещества; в одном реакторе успешно акклиматизировались и обогащались психрофильные нитрифицирующие бактерии, в то время как в двух других наблюдалось более высокое содержание азот-фиксирующих бактерий, неблагоприятных для удаления азота.
1.3. Акклиматизация психрофильных микроорганизмов
Технология улучшения акклиматизации и обогащения микробных сообществ, доминирующих при низких-температурах.— эффективный метод повышения эффективности работы и стабильности МББР в условиях низких-температур. Посредством постепенной индукции и оптимизированного культивирования доминирующие популяции проверяются и применяются, используя сильную толерантность микробных сообществ для снижения воздействия низких температур, что обеспечивает потенциал долгосрочной-стабилизации. Ван Дань и др. обнаружили, что в зимних условиях низкой-температуры добавление активного ила, содержащего холодоустойчивые микробные сообщества, для создания симбиотического гибридного биореактора с активированным илом-биопленкой дает такие преимущества, как быстрый запуск, быстрое образование биопленки и стабильный эффект обработки. Делатолла и др. обнаружили, что декарбонизация системы при температуре 1 градус увеличивает нитрифицирующую активную биомассу, утолщает биопленку, эффективно увеличивает количество жизнеспособных клеток во время работы при низких-температурах и повышает эффективность нитрификации системы. Кроме того, NO, N₂H₄, NH₂OH и т. д. являются ключевыми промежуточными соединениями, которые стимулируют процесс анаэробного окисления аммония (анаммокс) и облегчают ингибирование анаммокс-бактерий NO₂. Зеккер и др. в исследовании очистки сточных вод с высокой-концентрацией (концентрация аммиачного азота 740 мг/л) с помощью системы MBBR обнаружили, что добавление NO значительно ускоряет процесс анаммокса, а количество бактерий, окисляющих аммиак-, пропорционально увеличивается во время работы системы.
2. Исследование технологий улучшения несущей способности MBBR при низких температурах.
Выбор суспендированных наполнителей MBBR является одной из основных технологий этого процесса очистки сточных вод и ключевым фактором, влияющим на эффективность процесса и затраты на проектирование. Обычно используемые типы наполнителей включают, среди прочего, сотовые наполнители, полумягкие наполнители и композитные наполнители. При практическом применении могут возникнуть такие проблемы, как засорение наполнителя, агломерация и старение. В условиях низких-температур образование биопленки на наполнителях MBBR происходит медленнее, что потенциально продлевает периоды запуска оборудования, затрудняет нормальную работу процесса, приводит к плохой устойчивости к ударным нагрузкам и не позволяет достичь ожидаемых эффектов обработки. Промышленно используемые суспендированные носители MBBR различаются по размеру и форме и изготавливаются из высокомолекулярных полимеров, таких как полиэтилен высокой плотности (HDPE), полиэтилен (PE) или полипропилен (PP), с помощью таких методов, как экструзия расплава или грануляция. Благодаря крупномасштабному-инженерному применению этого процесса количество коммерческих перевозчиков постепенно увеличивалось. Конструкция и обработка носителя могут быть адаптированы к качеству воды и характеристикам роста микроорганизмов, что позволяет целенаправленно оптимизировать и совершенствовать биопленочные системы MBBR в условиях низких-температур. В практическом применении модификации носителей в первую очередь направлены на улучшение удельной поверхности, гидрофильности, био-сродства, магнитных свойств и т. д. для улучшения массопереноса носителя, образования биопленки и эффективности очистки сточных вод.
2.1 Магнитная нагрузка
Текущие исследования изучают использование магнитных полей для оптимизации мощности очистки сточных вод MBBR при низких температурах.Магнитные поля определенной силы могут улучшить удаление загрязняющих веществ в процессах биологической очистки.. В слабых магнитных полях органические загрязнители обогащаются на поверхности магнитных биологических носителей посредством магнитной агрегации и адсорбции, чему способствуют магнитные силы, силы Лоренца и магнито-коллоидные эффекты. В соответствующем диапазоне интенсивности магнитные поля могут улучшить использование кислорода микробами, улучшить метаболизм роста микробов и активность ферментов, а также повысить проницаемость клеточных мембран. Цзин Шуанги и др. изучали сравнительные эффекты добавления магнитных носителей (полиэтилен, магнитный порошок неодима, железа и бора (Nd₂Fe₁₄B) и поликватерниума -10 (PQAS-10) и др.) по сравнению с коммерческими носителями в реакторах МББР. Результаты показали, что в условиях низких-температур магнитные носители значительно улучшают активность нитрификации биопленки, способствуют секреции внеклеточного полимерного вещества (ЭПС), а также поддерживают и улучшают морфологию и структуру биопленки. Магнитные носители обогатили больше родов нитрифицирующих бактерий, при этом относительная численность аммиачно-окисляющих бактерий и нитрит-окисляющих бактерий увеличилась в 1,82 раза и 1,05 раза соответственно по сравнению с коммерческими носителями, а также акклиматизировали и обогатили два уникальных рода нитрифицирующих бактерий.
2.2 Модификация несущей
Помимо магнитной нагрузки, аффинная модификация традиционных материалов-носителей, таких как полиэтилен, также является важным способом повышения эффективности формирования биопленки наполнителя. Сунь Бо и др. использовали новые нано-суспендированные наполнители для очистки низкотемпературных бытовых сточных вод. При 10–12 градусах период образования биопленки для нанонаполнителей составлял менее 18 дней, что короче, чем у других наполнителей, при этом скорость удаления ХПК системой стабильна на уровне около 75%, что демонстрирует хорошую рекламную ценность. Жэнь Яньцян и др. использовали сотовые суспендированные наполнители из высокогидрофильных полимерных сплавов для очистки сточных вод из первичного отстойника очистных сооружений в условиях низких-температур. Результаты показали, что эти суспендированные наполнители эффективно улучшают способность к прикреплению поверхностно-активных микроорганизмов, способствуя усилению лечебного эффекта процесса MBBR. Хан Сяоюнь и др. в качестве иммобилизованного носителя для фиксации эффективных холодоустойчивых микробных сообществ, выделенных из активного ила, использовался мягкий пенополиуретан с развитой пористой структурой. После добавления этого наполнителя в реактор эффект очистки от загрязняющих веществ значительно улучшился: степень удаления ХПК составила 82 %, а степень удаления биохимической потребности в кислороде (БПК) — 92 % в условиях низких-температур. Чен и др. использовали процесс MBBR с гелевым наполнителем из поливинилового спирта (ПВА), инокулированным бактериями HN-AD, для очистки сточных вод животноводства и птицеводства вместо активного ила. При различных соотношениях углерода-к-азота (C/N) эффективность разных носителей значительно различалась. Пористая структура геля ПВА обеспечивает защиту от бактерий, что обеспечивает более стабильную работу. Микробный анализ показал, что процесс MBBR с гелевыми носителями ПВА способствует росту автотрофных бактерий и бактерий HN-AD (Paracoccus и Acinetobacter).
3. Комбинация процессов и Регулирование МББР при низких температурах
Эта система предъявляет уникальные требования к образованию биопленки на поверхностях наполнителя, что подчеркивает важность сочетания процессов и регулирования. Стабильная нитрификация в МББР может быть достигнута за счет регулирования технологических параметров и соотношений; компенсация воздействия низкой температуры посредством более строгих ограничений является относительно прямым и эффективным методом.
3.1 Аэрация
Процесс MBBR в настоящее время в основном применяется в аэробных средах. Скорость и метод аэрации в реакторе напрямую влияют на содержание растворенного кислорода (РК) в системе и характеристики образования биопленок, тем самым влияя на уровень разложения загрязняющих веществ. Чен Лонг и др. во время очистки промышленных сточных вод эффективно решили проблемы с образованием биопленки, используя такие меры, как периодическая аэрация, добившись степени удаления ХПК 95,5% и степени удаления аммиачного азота 91%. Перссон и др. использовал MBBR для очистки смешанных сточных вод кухонных отходов и черной воды после анаэробной предварительной обработки при 10 градусах, достигая полной нитрификации посредством периодической аэрации. Биан и др. обнаружили, что контроль постоянного соотношения между DO и общей концентрацией аммиачного азота оптимизирует воздействие сточных вод при низких температурах; когда контрольный коэффициент не превышал 0,17, процесс нитрификации оставался стабильным на уровне 6 град.
3.2 Отношение углерода-к-азоту (C/N)
Существует очевидная конкуренция между нитрифицирующими и гетеротрофными бактериями; поэтому регулирование C/N становится важным параметром, влияющим на баланс между деградацией органического вещества и азота в системе. Чен и др. показали, что в системах MBBR, когда C/N составляло от 4 до 15, степень удаления ХПК превышала 90%. Когда C/N снизилось до 1, скорость удаления ХПК значительно снизилась. Эффективность удаления аммиачного азота системой сначала увеличивалась, а затем снижалась по мере снижения отношения C/N. Чен и др. исследовали влияние отношения C/N на производительность реактора A/O-MBBR, очищающего сточные воды марикультуры.Результаты показали, что снижение C/N является полезно для повышение эффективности удаления ХПК и аммиачного азота.
3.3 Время гидравлического удержания
Гидравлическое время удерживания (HRT) определяет нагрузку активного ила в реакционной системе. Слишком высокая или слишком низкая ЗГТ может повлиять на эффективность лечения и затраты на строительство/эксплуатацию систем MBBR. Выбор разумного ЗГТ имеет решающее значение для стабильной работы системы. Ван и др. применил MBBR для контроля загрязнения из не-точечных источников в сельском хозяйстве при низких температурах. Исследования показали, что при 5 градусах, когда HRT снижается, эффективность удаления загрязняющих веществ значительно снижается, при этом 8 часов являются минимальным временем удерживания, обеспечивающим денитрификацию нитратов в газообразный азот. Ван Чуаньсинь и др. очистили бытовые сточные воды с помощью бескислородной/аэробной биопленочной системы с упором на характеристики одновременной нитрификации и денитрификации в MBBR при низких температурах. Результаты показали, что система хорошо адаптировалась к сезонным перепадам температуры за счет расширения HRT, стабилизации концентрации ХПК в сточных водах и концентрации аммиачного азота в соответствии со стандартами. Шиту использовал новый губчатый наполнитель в качестве носителя биопленки MBBR, чтобы изучить его эффект очистки воды при различных HRT. Результаты показали, что эффект очистки воды был лучшим при ЗГТ в течение 6 часов. Чжао Вэньбинь и др. показали, что оптимальная HRT для удаления загрязняющих веществ из сточных вод системами MBBR в условиях низкой-температуры составляет 24 часа. Хан Лэй и др. изучали скорость удаления загрязняющих веществ при снижении HRT с 15,4 до 11,0 часов в комбинированном процессе окислительной канавы DE + MBBR. Результаты показали, что по мере сокращения HRT эффективность удаления загрязняющих веществ постепенно снижалась, но качество сточных вод все еще могло соответствовать целевым требованиям к качеству воды, что отражает сильную устойчивость системы MBBR к ударным нагрузкам.
3.4 Комбинация процессов
Дэн Жуй и др. изучила двухэтапный процесс A/O-MBBR для очистки городских сточных вод. В условиях низкой температуры воды и низкой концентрации приточной воды этот комбинированный процесс продемонстрировал высокую устойчивость к ударным нагрузкам и температурную адаптируемость, стабильную работу и удобство в эксплуатации, что показало хорошие перспективы применения при очистке сточных вод. Луостаринен и др. изучили влияние очистки процесса MBBR на сточные воды молочных предприятий после анаэробной предварительной обработки при низких температурах. Результаты показали, что этот процесс может удалить 40–70% ХПК, 50–60% азота, а комбинация анаэробного ила с восходящим потоком (UASB) и MBBR может удалить 92% ХПК, 99% БПК и 65–70% азота. Ру Чун и др. использовали модифицированный процесс осаждения Bardenpho-MBBR + магнитная нагрузка для ремонта станции очистки сточных вод. Путем корректировки точек дозирования источника углерода и внедрения в системе многоточечного притока и многоточечного рефлюкса было достигнуто эффективное использование добавленных извне источников углерода, гарантируя эффекты нитрификации и денитрификации при 8,7 градусах со стабильным качеством сточных вод, превосходящим стандарты сброса.
Заключение
В условиях низких-температур микробная активность в системах МББР снижается, и возникает очевидная конкуренция между гетеротрофными микроорганизмами, перерабатывающими органику, и автотрофными микроорганизмами, перерабатывающими аммиачный азот. Поэтому, исходя из состава загрязнителей сырой воды и требований к индикаторам сточных вод, следует полностью рассмотреть подходящее отношение C/N. Такие меры, как улучшение и акклиматизация штаммов, доминирующих при низких-температурах, целевое обогащение и увеличение численности доминирующих популяций на носителях, должны быть реализованы для ключевых показателей, чтобы гарантировать качество сточных вод.
Улучшение несущей — важное средство улучшения устойчивости систем MBBR к низким-температурам и повышения эффективности процесса деградации. Конкретные меры в основном включают магнитное нагружение и структурную обработку носителей. Магнитная нагрузка может усилить прикрепление нитрифицирующих бактерий при низких температурах, усилить процесс секреции ЭПС и улучшить бактериальную активность; оптимизация структуры носителя и свойств поверхности может повысить эффективность массопереноса загрязняющих веществ, улучшить их способность затвердевать и защищать микробные сообщества, а также поддерживать более стабильную работу системы.
Сам процесс MBBR обладает определенными характеристиками устойчивости к низким-температурам. Однако с постоянным улучшением стандартов качества сточных вод для очистных сооружений, корректировка условий труда и сочетание процессов MBBR в условиях низких-температур стали важным содержанием исследований для прорыва в процессе. Для различных типов сточных вод оптимальные условия труда следует определять исходя из реальных ситуаций. Между тем, разумные комбинации процессов могут эффективно повысить устойчивость к ударным нагрузкам, температурную адаптацию и устойчивость систем MBBR к загрязняющим веществам.