Forskningsfremskridt om procesdrift og anvendelse af MBBR Systemer ved lave temperaturer
Oversigt
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)-processen er en af de meget anvendte biofilm-spildevandsbehandlingsteknologier på nuværende tidspunkt. Sammenlignet med konventionelle aktiveret slamprocesser tilbyder MBBR fordele såsom effektiv spildevandskvalitet, stærk modstandsdygtighed over for stødbelastninger og ingen krav om slamretur eller tilbageskylning. I løbet af den lave-temperaturperiode om vinteren, især i nordlige egne og sydvestlige plateauer, kan lufttemperaturerne let falde til under 5 grader, og vandtemperaturerne kan falde til under 15 grader. Lave temperaturer kan føre til manglende-overholdelse af spildevandsindikatorer såsom Chemical Oxygen Demand (COD), ammoniaknitrogen og totalt nitrogen i MBBR-systemer. Biofilm-nitrogenfjernelse omfatter aerob nitrifikation og anoxisk denitrifikation, og temperatur er en af nøglefaktorerne, der påvirker disse processer. Efterhånden som temperaturen falder, falder nitrifikationshastigheden af bakterier i aktiverede slamsystemer gradvist, med en betydelig reduktion i nitrifikationskapaciteten, når temperaturen falder til under 8 grader. Denne artikel uddyber systematisk driften af MBBR-processer under{11}}lave temperaturforhold ud fra aspekter såsom mikrobielle samfund, teknologier til forbedring af bærere og proceskombinationer og manipulation, og giver referencer til yderligere forskning og anvendelse.
1. Forskning i mikrobielle samfund i lav-MBBR-systemer med lav temperatur
I øjeblikket er kerneprocessen i spildevandsrensningsanlæg biologisk rensning.Lave temperaturer om vinteren (mindre end eller lig med 15 grader) hæmmer aktiviteten af nitrificerende bakterier i bioreaktorer, påvirker nitrifikationsprocessen og begrænser systemets nitrogenfjernelseskapacitet. Nitrificerende bakterier er autotrofe med lange generationscyklusser og er følsomme over for temperaturændringer med et optimalt væksttemperaturområde på 20-35 grader.
1.1 Mikrobiel aktivitet
Biofilm i MBBR-reaktorer vokser knyttet til bæreroverflader, hvilket understøtter væksten af mikroorganismer med lange generationscyklusser og øger derved indholdet af nitrificerende bakterier i systemet. Sammenlignet med aktiverede slamprocesser udviser MBBR en stærkere nitrifikationsydelse ved lave temperaturer, hvilket gør det meget udbredt i lav-temperaturspildevandsbehandling. Lav temperatur er en af de vigtige miljøfaktorer, der påvirker denne reaktors nitrifikationsydelse. Temperaturreduktion fører til nedsat cellemembranfluiditet og enzymkatalyse, reduceret materialetransport og metaboliske hastigheder, hvilket påvirker stabiliteten af nukleinsyresekundære strukturer og hæmmer DNA-replikation, mRNA-transkription og translation. Når temperaturen falder under det cytoplasmatiske frysepunkt, dannes iskrystaller i cellerne, hvilket forårsager alvorlig strukturel skade. Undersøgelser af Qiu Tian et al. viste detammoniakoxidations- og nitritoxidationsaktiviteterne af MBBR biofilm ved 10 grader var henholdsvis 55 % og 56 % af dem ved 20 grader .. Zheng Zhijia et al. testet nitrifikationshastighederne af aktiveret slam iet spildevandsrensningsanlæg om sommeren (20 grader) og vinteren (8 grader), der fandt, at ammoniaknitrogennitrifikationshastigheden ved 8 grader var 48,5 % af den ved 20 grader. Indvirkningen af lav temperatur på nitrifikationskapaciteten af biokemiske tanke omfatter to aspekter: For det første påvirker lav temperatur aktiviteten af nitrificerende bakteriesamfund, og for det andet reducerer længerevarende lave temperaturer populationen af nitrificerende bakterier i aktiveret slam.
1.2 Mikrobiel fællesskabskonkurrence
Da nitrificerende bakterier er autotrofe, påvirker andre mikrobielle samfund nitrifikationsprocessen betydeligt og konkurrerer stærkt med nitrificerende bakterier. Houweling et al. udførte MBBR-proceseksperimenter, der viser, at MBBR ved 4 grader har et vist nitrifikationspotentiale, men overdreven vækst af heterotrofe mikroorganismer i systemet reducerede nitrifikationshastigheden til en vis grad. Shao Shuhai et al. indikerede, at nitrogenfjernelseseffekten af enkelt- MBBR ikke er ideel på grund af konkurrence mellem nitrificerende og heterotrofe bakterier. Han Wenjie et al. undersøgte ændringer i mikrobielle samfund og biologiske distributionsmønstre i et spildevandsrensningsanlæg ved hjælp af MBBR-hybridprocesser under lav-temperatursæsoner, og fandt ud af, at antallet af mikrobielle arter i suspenderede bærerbiofilm var lavere end i aktiveret slam fra det samme system med ujævn artfordeling. Tilføjelsen af suspenderede bærere øgede den mikrobielle diversitet i systemet, mens indflydende og operationelle tilstande havde en vis selektivitet på den mikrobielle samfundssammensætning. Wu Han et al. simuleret husspildevandsrensning ved hjælp af tre sekventielle batch MBBR-reaktorer med forskellige fyldstoftyper. Ved gradvist at reducere temperaturerne (25, 20, 15, 10, 6 og 5 grader) for at dyrke og akklimatisere biofilm til lav-temperaturspildevand, fandt de ud af, at forskellige mikroorganismer dominerede i de tre reaktorer. Sekvenseringsresultater med høj-gennemstrømning viste, at ved 5 grader var mikroorganismer, der nedbryder organisk materiale, fremherskende i alle tre reaktorer; den ene reaktor akklimaterede og berigede psykrofile nitrificerende bakterier med succes, mens de to andre havde større mængder af nitrogen{23}}fikserende bakterier, der var ugunstige for nitrogenfjernelse.
1.3 Akklimatisering af psykofile mikroorganismer
Teknologien til forbedring af akklimatisering og berigelse til lav-temperaturdominerende mikrobielle samfunder en effektiv metode til at forbedre driftseffektiviteten og stabiliteten af MBBR under lave-temperaturforhold. Gennem progressiv induktion og optimeret dyrkning screenes og påføres dominerende populationer ved at udnytte de mikrobielle samfunds stærke tolerance til at reducere virkningen af lave temperaturer, hvilket giver langsigtet stabilitetspotentiale. Wang Dan et al. fandt ud af, at under vinterlave-temperaturforhold gav tilsætning af aktiveret slam indeholdende kolde-tolerante mikrobielle samfund for at opnå en aktiveret slam-biofilmsymbiotisk hybridbioreaktor fordele såsom hurtig opstart, hurtig biofilmdannelse og stabile behandlingseffekter. Delatolla et al. opdagede, at dekarbonisering af systemet ved 1 grad øgede nitrificerende aktiv biomasse, fortykkede biofilmen, effektivt øgede antallet af levedygtige celler under lav{11}temperaturdrift og forbedrede systemets nitrifikationsydelse. Derudover er NO, N₂H4, NH₂OH osv. nøglemellemprodukter, der stimulerer den anaerobe ammoniumoxidationsproces (anammox) og lindrer hæmningen af anammox-bakterier med NO₂. Zekker et al. fandt i en undersøgelse, der behandlede høj-koncentration af spildevand (ammoniaknitrogenkoncentration 740 mg/L) med et MBBR-system, at tilsætning af NO signifikant accelererede anammox-processen, og mængden af ammoniak-oxiderende bakterier steg proportionalt under driften af systemet.
2. Forskning i Carrier Enhancement Technologies til MBBR ved lave temperaturer
Udvælgelsen af suspenderede MBBR-fyldstoffer er en af kerneteknologierne i denne proces til spildevandsbehandling og en nøglefaktor, der påvirker proceseffektivitet og tekniske omkostninger. De almindeligt anvendte fyldstoffer omfatter blandt andet honeycomb-fyldstoffer, semi-bløde fyldstoffer og sammensatte fyldstoffer. Praktiske applikationer kan støde på problemer såsom tilstopning af fyldstof, agglomeration og aldring. Under lave-temperaturforhold er biofilmdannelse på MBBR-fyldstoffer langsommere, hvilket potentielt forlænger udstyrets opstartsperioder, hindrer normal procesdrift, hvilket resulterer i dårlig modstandsdygtighed over for stødbelastninger og ikke opnår forventede behandlingseffekter. Industrielt anvendte MBBR suspenderede bærere varierer i størrelse og form og er fremstillet af højmolekylære polymerer såsom polyethylen med høj-densitet (HDPE), polyethylen (PE) eller polypropylen (PP) gennem metoder som smelteekstrudering eller granulering. Med den store-tekniske anvendelse af denne proces er mangfoldigheden af kommercielle luftfartsselskaber gradvist blevet større. Carrier-design og -behandling kan skræddersyes til vandkvalitet og mikrobielle vækstkarakteristika, hvilket muliggør målrettet optimering og forbedring for at forbedre MBBR-biofilmsystemer under lave{10}}temperaturforhold. I praktiske applikationer fokuserer modifikationer af bærer primært på at forbedre specifikt overfladeareal, hydrofilicitet, bio-affinitet, magnetiske egenskaber osv. for at forbedre bærermasseoverførsel, biofilmdannelse og spildevandsbehandlingsydelse.
2.1 Magnetisk belastning
Nuværende forskning har udforsket brugen af magnetiske felter til at optimere MBBRs spildevandsbehandlingskapacitet ved lave temperaturer.Magnetiske felter af visse styrker kan forbedre fjernelse af forurenende stoffer i biologiske behandlingsprocesser. Under svage magnetfelter beriges organiske forurenende stoffer på overfladen af magnetiske biologiske bærere gennem magnetisk aggregering og adsorption, hjulpet af magnetiske kræfter, Lorentz-kræfter og magneto-kolloide effekter. Inden for et passende intensitetsområde kan magnetfelter forbedre mikrobiel oxygenudnyttelse, forbedre mikrobiel vækstmetabolisme og enzymaktivitet og øge cellemembranpermeabilitet. Jing Shuangyi et al. undersøgte de komparative virkninger af tilsætning af magnetiske bærere [polyethylen, neodymjernbormagnetisk pulver (Nd₂Fe₁₄B) og polyquaternium-10 (PQAS-10) osv.] versus kommercielle bærere i MBBR-reaktorer. Resultater viste, at under lave-temperaturforhold forbedrede magnetiske bærere signifikant biofilmnitrifikationsaktivitet, fremmede sekretion af ekstracellulært polymert stof (EPS) og opretholdt og forbedrede biofilmmorfologi og -struktur. Magnetiske bærere berigede flere nitrificerende bakterieslægter, med relative mængder af ammoniakoxiderende bakterier og nitritoxiderende bakterier steg med henholdsvis 1,82 gange og 1,05 gange sammenlignet med kommercielle bærere og akklimatiserede og berigede to unikke nitrificerende bakterieslægter.
2.2 Modifikation af transportør
Udover magnetisk belastning er affinitetsmodifikation af traditionelle bærematerialer som polyethylen også en vigtig måde at forbedre fyldstofbiofilmdannelsens ydeevne. Sun Bo et al. brugte nye nano-suspenderede fyldstoffer til at behandle husspildevand med lav-temperaturtemperatur. Ved 10-12 grader var biofilmdannelsesperioden for nanofyldstoffer mindre end 18 dage, kortere end andre fyldstoffer, med systemets COD-fjernelseshastighed stabil på omkring 75 %, hvilket viser god reklameværdi. Ren Yanqiang et al. brugte honeycomb-suspenderede fyldstoffer fremstillet af meget hydrofile polymerlegeringsmaterialer til at behandle spildevand fra den primære sedimentationstank på et spildevandsrensningsanlæg under lave{10}}temperaturforhold. Resultater indikerede, at disse suspenderede fyldstoffer effektivt forbedrede vedhæftningskapaciteten af-overfladeaktive mikroorganismer, hvilket hjalp med at forbedre behandlingseffekterne af MBBR-processen. Han Xiaoyun et al. brugt blødt polyurethanskum med en udviklet porestruktur som en immobiliseret bærer til at fikse effektive kulde{15}}tolerante mikrobielle samfund adskilt fra aktiveret slam. Efter at have tilføjet dette fyldstof til reaktoren, blev virkningerne af forureningsbehandling væsentligt forbedret, med COD-fjernelse på 82 % og biokemisk iltbehov (BOD) på 92 % under lave-temperaturforhold. Chen et al. brugt en MBBR-proces med polyvinylalkohol (PVA) gelfyldstof podet med HN-AD-bakterier til at behandle husdyr- og fjerkræavlsspildevand i stedet for aktiveret slam. Under forskellige kulstof-til-nitrogenforhold (C/N) varierede ydeevnen af forskellige bærere betydeligt. Den porøse struktur af PVA-gelen gav beskyttelse for bakterier, hvilket resulterede i mere stabil ydeevne. Mikrobiel analyse viste, at MBBR-processen med PVA-gelbærere begunstigede væksten af autotrofe bakterier og HN-AD-bakterier (Paracoccus og Acinetobacter).
3. Proceskombination og Regulering af MBBR ved lave temperaturer
Dette system har unikke krav til biofilmdannelse på fyldstofoverflader, hvilket understreger vigtigheden af proceskombination og regulering. Stabil nitrifikation i MBBR kan opnås gennem Regulering af procesparametre og forhold; at kompensere for virkningerne af lav temperatur gennem strengere begrænsninger er en relativt direkte og effektiv metode.
3.1 Beluftning
MBBR-processen anvendes i øjeblikket hovedsageligt i aerobe miljøer. Beluftningshastigheden og metoden i reaktoren påvirker direkte indholdet af opløst oxygen (DO) i systemet og egenskaberne ved biofilmdannelse og påvirker derved nedbrydningsniveauet af forurenende stoffer. Chen Long et al., under industriel spildevandsbehandling, behandlede effektivt vanskeligheder med biofilmdannelse ved hjælp af foranstaltninger som Batch Aeration, hvilket opnåede COD-fjernelsesgrad på 95,5% og ammoniak-nitrogenfjernelse på 91%. Persson et al. brugt MBBR til at behandle blandet spildevand af køkkenaffald og sortvand efter anaerob forbehandling ved 10 grader, hvilket opnår fuldstændig nitrifikation gennem intermitterende beluftning. Bian et al. fandt, at styring af et konstant forhold mellem DO og total ammoniaknitrogenkoncentration optimerede spildevandseffekter ved lave temperaturer; når kontrolforholdet ikke oversteg 0,17, forblev nitrifikationsprocessen stabil ved 6 grader.
3.2 Kulstof-til-nitrogenforhold (C/N)
Der er åbenlys konkurrence mellem nitrificerende og heterotrofe bakterier; derfor bliver C/N-regulering en vigtig parameter, der påvirker balancen mellem organisk stof og nitrogennedbrydning i systemet. Chen et al. viste, at i MBBR-systemer, når C/N var mellem 4-15, var COD-fjernelsesraten over 90 %. Når C/N faldt til 1, faldt COD-fjernelsesraten betydeligt. Systemets ammoniaknitrogenfjernelseseffektivitet steg først og faldt derefter med reduceret C/N. Chen et al. undersøgte virkningen af C/N på ydeevnen af en A/O-MBBR-reaktor til behandling af havbrugsspildevand.Resultater indikerede, at reduktion af C/N er gavnlig for forbedring af COD og ammoniak nitrogen fjernelse effektivitet.
3.3 Hydraulisk retentionstid
Hydraulic Retention Time (HRT) bestemmer den aktive slambelastning i reaktionssystemet. For høj eller for lav HRT kan påvirke behandlingseffektiviteten og konstruktions-/driftsomkostningerne for MBBR-systemer. At vælge en rimelig HRT er afgørende for stabil systemdrift. Van et al. anvendt MBBR til landbrugsmæssig ikke-punktkildeforureningskontrol ved lave temperaturer. Forskning viste, at ved 5 grader, da HRT faldt, faldt effektiviteten til fjernelse af forurenende stoffer betydeligt, hvor 8 timer var den mindste retentionstid for at sikre nitrat denitrifikation til nitrogengas. Wang Chuanxin et al. renset husspildevand med et anoxisk/aerobt biofilmsystem, med fokus på egenskaberne ved samtidig nitrifikation og denitrifikation i MBBR ved lave temperaturer. Resultaterne viste, at systemet tilpassede sig godt til sæsonbestemte temperaturfald ved at udvide HRT, stabilisere koncentrationerne af COD og ammoniak nitrogen for at opfylde standarderne. Shitu brugte et nyt svampefyldstof som en MBBR-biofilmbærer til at studere dens vandbehandlingseffekt ved forskellige HRT'er. Resultater indikerede, at vandbehandlingseffekterne var bedst ved HRT 6 timer. Zhao Wenbin et al. viste, at den optimale HRT til fjernelse af forurenende stoffer i spildevand med MBBR-systemer under lave-temperaturforhold var 24 timer. Han Lei et al. undersøgte forureningsfjernelseshastigheden, når HRT blev reduceret fra 15,4 timer til 11,0 timer i en DE-oxidationsgrøft + MBBR kombineret proces. Resultaterne viste, at efterhånden som HRT blev forkortet, faldt effektiviteten til fjernelse af forurenende stoffer gradvist, men spildevandskvaliteten kunne stadig opfylde vandkvalitetsmålkravene, hvilket afspejler MBBR-systemets stærke stødbelastningsmodstand.
3.4 Proceskombination
Deng Rui et al. undersøgte en to-A/O-MBBR-proces til behandling af kommunalt spildevand. Under forhold med lav vandtemperatur og lav indstrømningskoncentration viste denne kombinerede proces stærk stødbelastningsmodstand og temperaturtilpasningsevne, stabil drift og bekvem drift, hvilket viste gode anvendelsesmuligheder i spildevandsbehandling. Luostarinen et al. undersøgte behandlingseffekterne af MBBR-processen på mejerispildevand efter anaerob forbehandling ved lave temperaturer. Resultaterne viste, at processen kunne fjerne 40%-70% af COD, 50%-60% af nitrogen, og kombinationen af Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) og MBBR kunne fjerne 92% af COD, 99% af BOD og 65%-70% af nitrogen. Ru Chun et al. brugt en modificeret Bardenpho-MBBR + magnetisk belastningsudfældningsproces til at renovere et spildevandsrensningsanlæg. Ved at justere kulstofkildedoseringspunkter og implementere multi-point influent og multi-point reflux i systemet, blev der opnået effektiv udnyttelse af eksternt tilførte kulstofkilder, hvilket sikrede nitrifikations- og denitrifikationseffekter ved 8,7 grader med en stabil spildevandskvalitet bedre end udledningsstandarder.
Konklusion
Under lave-temperaturforhold falder den mikrobielle aktivitet i MBBR-systemer, og der er åbenlys konkurrence mellem heterotrofe mikroorganismer, der behandler organisk stof, og autotrofe mikroorganismer, der behandler ammoniaknitrogen. Derfor, baseret på sammensætningen af råvandsforurenende stoffer og krav til spildevandsindikatorer, bør passende C/N overvejes fuldt ud. Foranstaltninger såsom forbedring og akklimatisering af lav-temperaturdominerende stammer, målrettet berigelse og forøgelse af overfloden af dominerende populationer på bærere bør implementeres for nøgleindikatorer for at sikre spildevandskvalitet.
Carrier-forbedring er et vigtigt middel til at forbedre den lave-temperaturtolerance for MBBR-systemer og forbedre effektiviteten af procesnedbrydning. Specifikke foranstaltninger omfatter hovedsagelig magnetisk belastning og strukturel behandling af bærere. Magnetisk belastning kan forbedre vedhæftningen af nitrificerende bakterier ved lave temperaturer, styrke EPS-sekretionsprocessen og forbedre bakteriel aktivitet; optimering af bærerstruktur og overfladeegenskaber kan accelerere forurenende masseoverførselseffektivitet, forbedre deres evne til at størkne og beskytte mikrobielle samfund og opretholde mere stabil systemydelse.
Selve MBBR-processen har visse egenskaber ved lav-temperaturmodstand. Men med løbende forbedring af spildevandskvalitetsstandarder for spildevandsrensningsanlæg er justering af arbejdsbetingelser og proceskombination af MBBR under lave-temperaturforhold blevet vigtigt forskningsindhold for procesgennembrud. For forskellige typer spildevand bør optimale arbejdsbetingelser bestemmes ud fra faktiske situationer. I mellemtiden kan rimelige proceskombinationer effektivt forbedre chokbelastningsmodstanden, temperaturtilpasningsevnen og systemstabiliteten af MBBR-systemer over for forurenende stoffer.