Forskningsframsteg om processdrift och tillämpning av MBBR System vid låga temperaturer
Översikt
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)-processen är en av de flitigt använda biofilmsavloppsvattenreningsteknikerna för närvarande. Jämfört med konventionella aktiverade slamprocesser erbjuder MBBR fördelar som effektiv avloppskvalitet, stark motståndskraft mot stötbelastningar och inget krav på slamåterföring eller backspolning. Under den låga-temperaturperioden på vintern, särskilt i nordliga regioner och sydvästra platåer, kan lufttemperaturerna lätt sjunka under 5 grader och vattentemperaturerna kan falla under 15 grader. Låga temperaturer kan leda till att-avloppsindikatorer som kemiskt syrebehov (COD), ammoniakkväve och totalt kväve inte uppfyller kraven i MBBR-system. Borttagning av biofilmkväve inkluderar aerob nitrifikation och anoxisk denitrifikation, och temperatur är en av nyckelfaktorerna som påverkar dessa processer. När temperaturen sjunker, minskar nitrifikationshastigheten för bakterier i aktivt slamsystem gradvis, med en betydande minskning av nitrifikationskapaciteten när temperaturen faller under 8 grader. Den här artikeln utvecklar systematiskt hur MBBR-processer fungerar under låga-temperaturförhållanden från aspekter som mikrobiella samhällen, teknik för förbättring av bärare och processkombinationer och manipulation, och ger referenser för vidare forskning och tillämpning.
1. Forskning om mikrobiella samhällen i låg-MBBR-system
För närvarande är kärnprocessen i avloppsreningsverk biologisk rening.Låga temperaturer på vintern (mindre än eller lika med 15 grader) hämmar aktiviteten hos nitrifierande bakterier i bioreaktorer, påverkar nitrifikationsprocessen och begränsar systemets kvävereduktionskapacitet. Nitrifierande bakterier är autotrofa med långa generationscykler och är känsliga för temperaturförändringar, med ett optimalt tillväxttemperaturintervall på 20–35 grader.
1.1 Mikrobiell aktivitet
Biofilmer i MBBR-reaktorer växer fast på bärarytor, vilket stödjer tillväxten av mikroorganismer med långa generationscykler, vilket ökar halten av nitrifierande bakterier i systemet. Jämfört med aktiverade slamprocesser uppvisar MBBR starkare nitrifikationsprestanda vid låga temperaturer, vilket gör det allmänt använt i låg-avloppsvattenrening. Låg temperatur är en av de viktiga miljöfaktorer som påverkar nitrifikationsprestandan i denna reaktor. Temperatursänkning leder till minskad cellmembranfluiditet och enzymkatalys, minskad materialtransport och metaboliska hastigheter, vilket påverkar stabiliteten hos sekundära nukleinsyrastrukturer och hämmar DNA-replikation, mRNA-transkription och translation. När temperaturen faller under den cytoplasmatiska fryspunkten bildas iskristaller i cellerna, vilket orsakar allvarliga strukturella skador. Studier av Qiu Tian et al. visade detammoniakoxidations- och nitritoxidationsaktiviteterna för MBBR-biofilm vid 10 grader var 55 % respektive 56 % av dem vid 20 grader .. Zheng Zhijia et al. testade nitrifikationshastigheterna för aktivt slam iett avloppsreningsverk på sommaren (20 grader) och vintern (8 grader), som fann att nitrifikationshastigheten för ammoniakkväve vid 8 grader var 48,5 % av den vid 20 grader. Effekten av låg temperatur på nitrifikationskapaciteten i biokemiska tankar inkluderar två aspekter: för det första påverkar låg temperatur aktiviteten hos nitrifierande bakteriesamhällen, och för det andra minskar långvariga låga temperaturer populationen av nitrifierande bakterier i aktivt slam.
1.2 Mikrobiell gemenskapstävling
Eftersom nitrifierande bakterier är autotrofa påverkar andra mikrobiella samhällen nitrifieringsprocessen avsevärt och konkurrerar starkt med nitrifierande bakterier. Houweling et al. genomförde MBBR-processexperiment, som visade att MBBR vid 4 grader har viss nitrifikationspotential, men överdriven tillväxt av heterotrofa mikroorganismer i systemet minskade nitrifikationshastigheten i viss utsträckning. Shao Shuhai et al. indikerade att den kväveavlägsnande effekten av enkel-MBBR inte är idealisk på grund av konkurrens mellan nitrifierande och heterotrofa bakterier. Han Wenjie et al. studerade förändringar i mikrobiella samhällen och biologiska distributionsmönster i ett avloppsreningsverk med MBBR-hybridprocesser under låga-temperatursäsonger, och fann att antalet mikrobiella arter i suspenderade bärarbiofilmer var lägre än i aktivt slam från samma system, med ojämn artfördelning. Tillsatsen av suspenderade bärare ökade mikrobiell mångfald i systemet, medan inflytande och operativa lägen hade en viss selektivitet på den mikrobiella gemenskapssammansättningen. Wu Han et al. simulerad rening av hushållsavloppsvatten med hjälp av tre seriella MBBR-reaktorer med olika fyllmedelstyper. Genom att gradvis sänka temperaturerna (25, 20, 15, 10, 6 och 5 grader) för att odla och acklimatisera biofilmer för låg-temperaturavloppsvatten fann de att olika mikroorganismer dominerade i de tre reaktorerna. Sekvenseringsresultat med hög-genomströmning visade att vid 5 grader var mikroorganismer som bryter ned organiskt material dominerande i alla tre reaktorerna; en reaktor acklimatiserade och berikade framgångsrikt psykrofila nitrifierande bakterier, medan de andra två hade högre mängder av kväve{23}}fixerande bakterier som var ogynnsamma för borttagning av kväve.
1.3 Acklimatisering av psykofila mikroorganismer
Acklimatiserings- och anrikningsförbättringstekniken för låg-temperaturdominerande mikrobiella samhällenär en effektiv metod för att förbättra driftseffektiviteten och stabiliteten för MBBR under låga-temperaturförhållanden. Genom progressiv induktion och optimerad odling screenas och tillämpas dominerande populationer, med användning av de mikrobiella samhällenas starka tolerans för att minska effekterna av låga temperaturer, vilket erbjuder långsiktig stabilitetspotential. Wang Dan et al. fann att under vinterförhållanden med låga-temperaturer erbjöd tillsats av aktivt slam som innehåller kalla-toleranta mikrobiella samhällen för att uppnå en aktiverad slam-biofilmsymbiotisk hybridbioreaktor fördelar som snabb start, snabb biofilmbildning och stabila behandlingseffekter. Delatolla et al. upptäckte att avkolning av systemet vid 1 grad ökade nitrifierande aktiv biomassa, förtjockade biofilmen, effektivt ökade antalet livsdugliga celler under låg{11}temperaturdrift och förbättrade systemets nitrifikationsprestanda. Dessutom är NO, N₂H4, NH₂OH, etc. nyckelmellanprodukter som stimulerar den anaeroba ammoniumoxidationsprocessen (anammox) och lindrar hämningen av anammox-bakterier av NO₂. Zekker et al., i en studie som behandlade hög-koncentration av avloppsvatten (ammoniakkvävekoncentration 740 mg/L) med ett MBBR-system, fann att tillsats av NO avsevärt accelererade anammoxprocessen och mängden ammoniak-oxiderande bakterier ökade proportionellt under systemets drift.
2. Forskning om Carrier Enhancement Technologies för MBBR vid låga temperaturer
Valet av suspenderade MBBR-fyllmedel är en av kärnteknologierna i denna process för rening av avloppsvatten och en nyckelfaktor som påverkar processeffektiviteten och tekniska kostnader. Vanliga fyllmedelstyper inkluderar bland annat bikakefyllmedel, halv-mjuka fyllmedel och kompositfyllmedel. Praktiska applikationer kan stöta på problem som tilltäppning av fyllmedel, agglomeration och åldrande. Under låga-temperaturförhållanden är biofilmbildning på MBBR-fyllmedel långsammare, vilket potentiellt förlänger utrustningens startperioder, hindrar normal processdrift, vilket resulterar i dålig chockbelastningsbeständighet och misslyckas med att uppnå förväntade behandlingseffekter. Industriellt använda MBBR suspenderade bärare varierar i storlek och form och är gjorda av högmolekylära polymerer som hög-densitetspolyeten (HDPE), polyeten (PE) eller polypropen (PP) genom metoder som smältextrudering eller granulering. Med den storskaliga tekniska tillämpningen av denna process har utbudet av kommersiella transportörer gradvis ökat. Bärardesign och bearbetning kan skräddarsys för vattenkvalitet och mikrobiella tillväxtegenskaper, vilket möjliggör målinriktad optimering och förbättring för att förbättra MBBR-biofilmsystem under låga-temperaturförhållanden. I praktiska tillämpningar fokuserar modifieringar av bärare främst på att förbättra specifik ytarea, hydrofilicitet, bio-affinitet, magnetiska egenskaper, etc., för att förbättra bärarmassöverföring, biofilmbildning och prestanda för avloppsvattenrening.
2.1 Magnetisk laddning
Aktuell forskning har utforskat att använda magnetfält för att optimera MBBR:s avloppsvattenreningskapacitet vid låga temperaturer.Magnetiska fält av vissa styrkor kan förbättra avlägsnandet av föroreningar i biologiska reningsprocesser. Under svaga magnetfält anrikas organiska föroreningar på ytan av magnetiska biologiska bärare genom magnetisk aggregation och adsorption, med hjälp av magnetiska krafter, Lorentzkrafter och magneto-kolloidala effekter. Inom ett lämpligt intensitetsområde kan magnetfält förbättra mikrobiellt syreutnyttjande, förbättra mikrobiell tillväxtmetabolism och enzymaktivitet och öka cellmembranpermeabiliteten. Jing Shuangyi et al. studerade de jämförande effekterna av att tillsätta magnetiska bärare [polyeten, neodymjärnbormagnetiskt pulver (Nd₂Fe₁₄B) och polyquaternium-10 (PQAS-10), etc.] jämfört med kommersiella bärare i MBBR-reaktorer. Resultaten visade att under låga-temperaturförhållanden förbättrade magnetiska bärare signifikant biofilmsnitrifikationsaktivitet, främjade utsöndring av extracellulär polymersubstans (EPS) och bibehöll och förbättrade biofilmsmorfologi och struktur. Magnetiska bärare berikade fler nitrifierande bakteriesläkten, med relativa mängder av ammoniakoxiderande bakterier och nitritoxiderande bakterier ökade med 1,82 gånger respektive 1,05 gånger jämfört med kommersiella bärare, och acklimatiserade och berikade två unika nitrifierande bakteriesläkten.
2.2 Modifiering av operatören
Förutom magnetisk laddning är affinitetsmodifiering av traditionella bärarmaterial som polyeten också ett viktigt sätt att förbättra prestanda för bildande av fyllmedelsbiofilm. Sun Bo et al. använde nya nanosuspenderade fyllmedel för att behandla hushållsavloppsvatten med låg-temperatur. Vid 10–12 grader var biofilmsbildningsperioden för nanofyllmedel mindre än 18 dagar, kortare än andra fyllmedel, med systemets COD-borttagningshastighet stabil på cirka 75 %, vilket visar på bra marknadsföringsvärde. Ren Yanqiang et al. använde honeycomb-suspenderade fyllmedel gjorda av mycket hydrofila polymerlegeringsmaterial för att behandla avloppsvattnet från den primära sedimenteringstanken på ett avloppsreningsverk under låga{10}}temperaturförhållanden. Resultaten visade att dessa suspenderade fyllmedel effektivt förbättrade vidhäftningsförmågan hos ytaktiva-mikroorganismer, vilket bidrog till att förbättra behandlingseffekterna av MBBR-processen. Han Xiaoyun et al. använde mjukt polyuretanskum med utvecklad porstruktur som en immobiliserad bärare för att fixera effektiva kyltoleranta- mikrobiella samhällen separerade från aktivt slam. Efter att ha tillsatt detta fyllmedel till reaktorn förbättrades effekterna av föroreningsbehandlingen avsevärt, med COD-avlägsnandegrad på 82 % och biokemisk syreförbrukning (BOD) på 92 % under låga-temperaturförhållanden. Chen et al. använde en MBBR-process med polyvinylalkohol (PVA) gelfyllmedel inokulerat med HN-AD-bakterier för att behandla avloppsvatten från boskap och fjäderfä i stället för aktivt slam. Under olika kol-till-kväveförhållanden (C/N) varierade prestandan hos olika bärare avsevärt. Den porösa strukturen hos PVA-gelen gav skydd för bakterier, vilket resulterade i mer stabil prestanda. Mikrobiell analys visade att MBBR-processen med PVA-gelbärare gynnade tillväxten av autotrofa bakterier och HN-AD-bakterier (Paracoccus och Acinetobacter).
3. Processkombination och Reglering av MBBR vid låga temperaturer
Detta system har unika krav för biofilmbildning på fyllnadsytor, vilket understryker vikten av processkombination och reglering. Stabil nitrifikation i MBBR kan uppnås genom reglering av processparametrar och förhållanden; Att kompensera för effekterna av låg temperatur genom strängare begränsningar är en relativt direkt och effektiv metod.
3.1 Luftning
MBBR-processen tillämpas för närvarande huvudsakligen i aeroba miljöer. Luftningshastigheten och metoden i reaktorn påverkar direkt halten löst syre (DO) i systemet och egenskaperna för biofilmbildning, och påverkar därmed nedbrytningsnivån av föroreningar. Chen Long et al., under industriell rening av avloppsvatten, åtgärdade effektivt svårigheterna med biofilmbildning med hjälp av åtgärder som Batch Aeration, vilket uppnådde COD-avlägsnandegrad på 95,5 % och ammoniak-kväveavlägsningsgrad på 91 %. Persson et al. använde MBBR för att behandla blandat avloppsvatten av köksavfall och svartvatten efter anaerob förbehandling vid 10 grader, för att uppnå fullständig nitrifikation genom intermittent luftning. Bian et al. fann att kontroll av ett konstant förhållande mellan DO och total ammoniakkvävekoncentration optimerade effluenteffekter vid låga temperaturer; när kontrollkvoten inte översteg 0,17 förblev nitrifikationsprocessen stabil vid 6 grader.
3.2 Kol-till-förhållandet kväve (C/N)
Det finns uppenbar konkurrens mellan nitrifierande och heterotrofa bakterier; Därför blir C/N-reglering en viktig parameter som påverkar balansen mellan organiskt material och kvävenedbrytning i systemet. Chen et al. visade att i MBBR-system, när C/N var mellan 4–15, var COD-borttagningsgraden över 90 %. När C/N minskade till 1, minskade COD-avlägsningshastigheten avsevärt. Systemets effektivitet för borttagning av ammoniakkväve ökade först och minskade sedan med minskad C/N. Chen et al. undersökte effekten av C/N på prestandan hos en A/O-MBBR-reaktor som behandlar havsbruksavloppsvatten.Resultaten indikerade att minska C/N är fördelaktigt för förbättra effektiviteten för avlägsnande av COD och ammoniakkväve.
3.3 Hydraulisk retentionstid
Hydraulic Retention Time (HRT) bestämmer den aktiva slambelastningen i reaktionssystemet. För hög eller för låg HRT kan påverka behandlingseffektiviteten och konstruktions-/driftskostnaderna för MBBR-system. Att välja en rimlig HRT är avgörande för stabil systemdrift. Van et al. tillämpat MBBR för icke-jordbruksföroreningskontroll vid låga temperaturer. Forskning visade att vid 5 grader, när HRT minskade, minskade effektiviteten för avlägsnande av föroreningar avsevärt, med 8 timmar som den minsta uppehållstiden för att säkerställa nitratdenitrifikation till kvävgas. Wang Chuanxin et al. renat hushållsavloppsvatten med ett anoxiskt/aerobt biofilmsystem, med fokus på egenskaperna för samtidig nitrifikation och denitrifikation i MBBR vid låga temperaturer. Resultaten visade att systemet anpassade sig väl till säsongsbetonade temperaturfall genom att utöka HRT, stabilisera koncentrationerna av COD och ammoniak för att möta standarder. Shitu använde ett nytt svampfyllmedel som en MBBR-biofilmbärare för att studera dess vattenbehandlingseffekt vid olika HRT. Resultaten visade att vattenbehandlingseffekterna var bäst vid HRT 6 timmar. Zhao Wenbin et al. visade att den optimala HRT för avlägsnande av föroreningar i avloppsvatten med MBBR-system under låga-temperaturförhållanden var 24 timmar. Han Lei et al. studerade föroreningsavlägsningshastigheten när HRT reducerades från 15,4 timmar till 11,0 timmar i en kombinerad DE-oxidationsdike + MBBR-process. Resultaten visade att allteftersom HRT förkortades, minskade effektiviteten för avlägsnande av föroreningar gradvis, men avloppskvaliteten kunde fortfarande uppfylla kraven för vattenkvalitetsmål, vilket återspeglar MBBR-systemets starka motståndskraft mot stötbelastning.
3.4 Processkombination
Deng Rui et al. studerat en två-A/O-MBBR-process för rening av kommunalt avloppsvatten. Under förhållanden med låg vattentemperatur och låg inflödeskoncentration visade denna kombinerade process stark stötbelastningsbeständighet och temperaturanpassningsförmåga, stabil drift och bekväm drift, vilket visade goda tillämpningsmöjligheter vid rening av avloppsvatten. Luostarinen et al. studerade reningseffekterna av MBBR-processen på mejeriavloppsvatten efter anaerob förbehandling vid låga temperaturer. Resultaten visade att processen kunde ta bort 40%–70% av COD, 50%–60% av kväve, och kombinationen av Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) och MBBR kunde ta bort 92% av COD, 99% av BOD och 65%–70% av kväve. Ru Chun et al. använde en modifierad Bardenpho-MBBR + magnetisk laddningsutfällningsprocess för att renovera ett avloppsreningsverk. Genom att justera kolkällans doseringspunkter och implementera multi-point influent and multi-point reflux i systemet, uppnåddes ett effektivt utnyttjande av externt tillsatta kolkällor, vilket säkerställde nitrifikations- och denitrifikationseffekter vid 8,7 grader, med stabil avloppskvalitet bättre än utsläppsstandarder.
Slutsats
Under låga-temperaturförhållanden minskar mikrobiell aktivitet i MBBR-system, och det finns uppenbar konkurrens mellan heterotrofa mikroorganismer som behandlar organiskt material och autotrofa mikroorganismer som behandlar ammoniakkväve. Därför, baserat på sammansättningen av föroreningar i råvatten och krav på avloppsindikatorer, bör lämplig C/N övervägas fullt ut. Åtgärder som att förbättra och acklimatisera låg-temperaturdominerande stammar, riktad anrikning och öka mängden dominerande populationer på bärare bör implementeras för nyckelindikatorer för att säkerställa avloppskvaliteten.
Carrier-förbättring är ett viktigt sätt att förbättra den låga-temperaturtoleransen hos MBBR-system och förbättra effektiviteten i processnedbrytningen. Specifika åtgärder omfattar främst magnetisk belastning och strukturell behandling av bärare. Magnetisk belastning kan förbättra vidhäftningen av nitrifierande bakterier vid låga temperaturer, stärka EPS-utsöndringsprocessen och förbättra bakteriell aktivitet; optimering av bärarstruktur och ytegenskaper kan påskynda massöverföringseffektiviteten för föroreningar, förbättra deras förmåga att stelna och skydda mikrobiella samhällen och bibehålla mer stabil systemprestanda.
Själva MBBR-processen har vissa resistansegenskaper vid låg-temperatur. Men med ständigt förbättrade kvalitetsstandarder för avloppsvatten för reningsverk, har justering av arbetsförhållanden och processkombination av MBBR under låga-temperaturförhållanden blivit viktigt forskningsinnehåll för processgenombrott. För olika typer av avloppsvatten bör optimala arbetsförhållanden bestämmas utifrån faktiska situationer. Samtidigt kan rimliga processkombinationer effektivt förbättra stötbelastningsmotståndet, temperaturanpassningsförmågan och systemstabiliteten hos MBBR-system mot föroreningar.