Onderzoeksvoortgang op het gebied van proceswerking en toepassing van MBBR Systemen bij lage temperaturen
Overzicht
Het Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)-proces is momenteel een van de meest gebruikte biofilm-afvalwaterbehandelingstechnologieën. Vergeleken met conventionele actiefslibprocessen biedt MBBR voordelen zoals een effectieve effluentkwaliteit, sterke weerstand tegen schokbelastingen en geen noodzaak voor slibretour of terugspoeling. Tijdens de lage- winterperiode, vooral in de noordelijke regio's en zuidwestelijke plateaus, kan de luchttemperatuur gemakkelijk onder de 5 graden dalen en de watertemperatuur onder de 15 graden. Lage temperaturen kunnen leiden tot het niet- naleven van effluentindicatoren zoals chemisch zuurstofverbruik (CZV), ammoniakstikstof en totaal stikstof in MBBR-systemen. De verwijdering van stikstof uit biofilms omvat aerobe nitrificatie en anoxische denitrificatie, en temperatuur is een van de belangrijkste factoren die deze processen beïnvloeden. Naarmate de temperatuur daalt, neemt de nitrificatiesnelheid van bacteriën in actiefslibsystemen geleidelijk af, met een aanzienlijke vermindering van de nitrificatiecapaciteit wanneer de temperatuur onder de 8 graden daalt. In dit artikel wordt systematisch dieper ingegaan op de werking van MBBR-processen onder lage- temperatuuromstandigheden, op basis van aspecten als microbiële gemeenschappen, dragerverbeteringstechnologieën en procescombinaties en -manipulatie, en worden referenties geboden voor verder onderzoek en toepassing.
1. Onderzoek naar microbiële gemeenschappen in MBBR-systemen bij lage- temperaturen
Momenteel is het kernproces in afvalwaterzuiveringsinstallaties biologische zuivering.Lage temperaturen in de winter (minder dan of gelijk aan 15 graden) remmen de activiteit van nitrificerende bacteriën in bioreactoren, waardoor het nitrificatieproces wordt beïnvloed en de stikstofverwijderingscapaciteit van het systeem wordt beperkt. Nitrificerende bacteriën zijn autotroof met lange generatiecycli en zijn gevoelig voor temperatuurveranderingen, met een optimaal groeitemperatuurbereik van 20-35 graden.
1.1 Microbiële activiteit
Biofilms in MBBR-reactoren groeien vast aan drageroppervlakken en ondersteunen de groei van micro-organismen met lange generatiecycli, waardoor het gehalte aan nitrificerende bacteriën in het systeem toeneemt. Vergeleken met actiefslibprocessen vertoont MBBR sterkere nitrificatieprestaties bij lage temperaturen, waardoor het op grote schaal wordt gebruikt bij de behandeling van afvalwater bij lage- temperaturen. Lage temperaturen zijn een van de belangrijke omgevingsfactoren die de nitrificatieprestaties van deze reactor beïnvloeden. Temperatuurverlaging leidt tot verminderde celmembraanfluïditeit en enzymkatalyse, verminderd materiaaltransport en metabolische snelheden, waardoor de stabiliteit van secundaire nucleïnezuurstructuren wordt aangetast en DNA-replicatie, mRNA-transcriptie en translatie worden geremd. Wanneer de temperatuur onder het cytoplasmatische vriespunt daalt, vormen zich ijskristallen in de cellen, die ernstige structurele schade veroorzaken. Onderzoek door Qiu Tian et al. liet dat ziende ammoniakoxidatie- en nitrietoxidatieactiviteiten van MBBR-biofilm bij 10 graden waren respectievelijk 55% en 56% van die bij 20 graden. Zheng Zhijia et al. testte de nitrificatiesnelheden van actief slib ineen afvalwaterzuiveringsinstallatie in de zomer (20 graden) en winter (8 graden), waarbij werd vastgesteld dat de nitrificatiesnelheid van ammoniak en stikstof bij 8 graden 48,5% bedroeg van die bij 20 graden. De impact van lage temperaturen op de nitrificatiecapaciteit van biochemische tanks omvat twee aspecten: ten eerste beïnvloedt lage temperatuur de activiteit van nitrificerende bacteriegemeenschappen, en ten tweede verminderen langdurige lage temperaturen de populatie van nitrificerende bacteriën in actief slib.
1.2 Concurrentie van microbiële gemeenschappen
Omdat nitrificerende bacteriën autotroof zijn, hebben andere microbiële gemeenschappen een aanzienlijke invloed op het nitrificatieproces en concurreren ze sterk met nitrificerende bacteriën. Houweling et al. voerde MBBR-procesexperimenten uit, waaruit bleek dat MBBR bij 4 graden een bepaald nitrificatiepotentieel heeft, maar overmatige groei van heterotrofe micro-organismen in het systeem verminderde de nitrificatiesnelheid tot op zekere hoogte. Shao Shuhai et al. gaven aan dat het stikstofverwijderingseffect van MBBR in één- fase niet ideaal is vanwege de concurrentie tussen nitrificerende en heterotrofe bacteriën. Han Wenjie et al. bestudeerde veranderingen in de microbiële gemeenschap en biologische distributiepatronen in een afvalwaterzuiveringsinstallatie met behulp van hybride MBBR-processen tijdens lage- seizoenen, waarbij werd vastgesteld dat het aantal microbiële soorten in gesuspendeerde dragerbiofilms lager was dan dat in actief slib uit hetzelfde systeem, met een ongelijke verdeling van de soorten. De toevoeging van zwevende dragers verhoogde de microbiële diversiteit in het systeem, terwijl invloedrijke en operationele modi een zekere selectiviteit hadden op de samenstelling van de microbiële gemeenschap. Wu Han et al. gesimuleerde behandeling van huishoudelijk afvalwater met behulp van drie opeenvolgende batch-MBBR-reactoren met verschillende soorten vulstof. Door de temperaturen geleidelijk te verlagen (25, 20, 15, 10, 6 en 5 graden) om biofilms voor afvalwater met lage temperatuur-te cultiveren en te laten acclimatiseren, ontdekten ze dat verschillende micro-organismen in de drie reactoren domineerden. Resultaten van high{21}}sequencing-resultaten toonden aan dat bij 5 graden de micro-organismen die organisch materiaal afbreken de overhand hadden in alle drie de reactoren; één reactor acclimatiseerde en verrijkte met succes psychrofiele nitrificerende bacteriën, terwijl de andere twee een grotere hoeveelheid stikstofbindende bacteriën hadden die ongunstig waren voor de verwijdering van stikstof.
1.3 Acclimatisatie van psychrofiele micro-organismen
De acclimatisatie- en verrijkingstechnologie voor microbiële gemeenschappen die dominant zijn bij lage- temperaturenis een effectieve methode om de operationele efficiëntie en stabiliteit van MBBR te verbeteren onder lage- omstandigheden. Door middel van progressieve inductie en geoptimaliseerde teelt worden dominante populaties gescreend en toegepast, waarbij gebruik wordt gemaakt van de sterke tolerantie van de microbiële gemeenschappen om de impact van lage temperaturen te verminderen, wat stabiliteitspotentieel op lange termijn biedt. Wang Dan et al. ontdekte dat onder winteromstandigheden met lage- temperaturen het toevoegen van actief slib met koude-tolerante microbiële gemeenschappen om een actiefslib-biofilm symbiotische hybride bioreactor te bereiken voordelen bood zoals een snelle opstart, snelle biofilmvorming en stabiele behandelingseffecten. Delatola et al. ontdekte dat het koolstofvrij maken van het systeem op 1 graad de nitrificerende actieve biomassa verhoogde, de biofilm dikker maakte, het aantal levensvatbare cellen effectief verhoogde bij werking op lage-temperaturen, en de nitrificatieprestaties van het systeem verbeterde. Bovendien zijn NO, N₂H₄, NH₂OH enz. belangrijke tussenproducten die het anaërobe ammoniumoxidatieproces (anammox) stimuleren en de remming van anammoxbacteriën door NO₂ verlichten. Zekker et al. hebben in een onderzoek waarbij afvalwater met een hoge-concentratie (ammoniak-stikstofconcentratie 740 mg/l) werd behandeld met een MBBR-systeem ontdekt dat de toevoeging van NO het anammoxproces aanzienlijk versnelde, en dat de overvloed aan ammoniak-oxiderende bacteriën proportioneel toenam tijdens de werking van het systeem.
2. Onderzoek naar carrierverbeteringstechnologieën voor MBBR bij lage temperaturen
De selectie van zwevende MBBR-vulstoffen is een van de kerntechnologieën van dit proces voor afvalwaterbehandeling en een sleutelfactor die de procesefficiëntie en engineeringkosten beïnvloedt. Veelgebruikte typen vulmiddelen zijn onder andere honingraatvullers, semi-zachte vulmiddelen en composietvullers. Praktische toepassingen kunnen problemen tegenkomen zoals verstopping van vulstof, agglomeratie en veroudering. Onder lage-omstandigheden is de vorming van biofilm op MBBR-vulstoffen langzamer, waardoor de opstartperiode van de apparatuur mogelijk wordt verlengd, de normale procesuitvoering wordt belemmerd, wat resulteert in een slechte weerstand tegen schokbelasting en het niet bereiken van de verwachte behandelingseffecten. Industrieel gebruikte MBBR-hangende dragers variëren in grootte en vorm en zijn gemaakt van hoogmoleculaire polymeren zoals hoge-dichtheidpolyethyleen (HDPE), polyethyleen (PE) of polypropyleen (PP) door middel van methoden zoals smeltextrusie of granulatie. Met de grootschalige technische toepassing van dit proces- is de verscheidenheid aan commerciële vervoerders geleidelijk toegenomen. Het ontwerp en de verwerking van dragers kunnen worden afgestemd op de waterkwaliteit en microbiële groeikenmerken, waardoor gerichte optimalisatie en verbetering mogelijk is om MBBR-biofilmsystemen onder lage- omstandigheden te verbeteren. In praktische toepassingen zijn modificaties van dragers primair gericht op het verbeteren van het specifieke oppervlak, de hydrofiliciteit, bio{12}}affiniteit, magnetische eigenschappen, enz., om de massaoverdracht van dragers, de vorming van biofilms en de prestaties van afvalwaterzuivering te verbeteren.
2.1 Magnetische belasting
Huidig onderzoek heeft onderzocht hoe magnetische velden kunnen worden gebruikt om de afvalwaterzuiveringscapaciteit van MBBR bij lage temperaturen te optimaliseren.Magnetische velden met een bepaalde sterkte kunnen de verwijdering van verontreinigende stoffen bij biologische zuiveringsprocessen bevorderen. Onder zwakke magnetische velden worden organische verontreinigende stoffen verrijkt aan het oppervlak van magnetische biologische dragers door magnetische aggregatie en adsorptie, geholpen door magnetische krachten, Lorentz-krachten en magneto{1}}colloïdale effecten. Binnen een geschikt intensiteitsbereik kunnen magnetische velden het microbiële zuurstofgebruik verbeteren, het microbiële groeimetabolisme en de enzymactiviteit verbeteren en de permeabiliteit van het celmembraan vergroten. Jing Shuangyi et al. bestudeerde de vergelijkende effecten van het toevoegen van magnetische dragers [polyethyleen, neodymium-ijzerborium magnetisch poeder (Nd₂Fe₁₄B) en polyquaternium-10 (PQAS-10), enz.] versus commerciële dragers in MBBR-reactoren. De resultaten toonden aan dat magnetische dragers onder lage temperatuuromstandigheden de nitrificatie-activiteit van de biofilm aanzienlijk verbeterden, de secretie van extracellulaire polymere stoffen (EPS) bevorderden en de morfologie en structuur van de biofilm handhaafden en verbeterden. Magnetische dragers verrijkten meer nitrificerende bacteriesoorten, waarbij de relatieve overvloed aan ammoniak-oxiderende bacteriën en nitriet-oxiderende bacteriën respectievelijk 1,82 keer en 1,05 keer toenam in vergelijking met commerciële dragers, en twee unieke nitrificerende bacteriesoorten acclimatiseerde en verrijkte.
2.2 Wijziging vervoerder
Naast magnetische belasting is affiniteitsmodificatie van traditionele dragermaterialen zoals polyethyleen ook een belangrijke manier om de prestaties van vulstofbiofilmvorming te verbeteren. Zon Bo et al. gebruikte nieuwe nano-gesuspendeerde vulstoffen om huishoudelijk afvalwater op lage- temperatuur te behandelen. Bij 10–12 graden was de biofilmvormingsperiode voor nanovulstoffen minder dan 18 dagen, korter dan bij andere vulstoffen, waarbij het CZV-verwijderingspercentage stabiel bleef op ongeveer 75%, wat een goede promotiewaarde aantoont. Ren Yanqiang et al. gebruikte honingraat-gesuspendeerde vulstoffen gemaakt van zeer hydrofiele polymeerlegeringen om afvalwater uit de primaire sedimentatietank van een afvalwaterzuiveringsinstallatie te behandelen onder lage- omstandigheden. De resultaten gaven aan dat deze gesuspendeerde vulstoffen effectief het hechtingsvermogen van oppervlakteactieve micro-organismen verbeterden, waardoor de behandelingseffecten van het MBBR-proces werden verbeterd. Han Xiaoyun et al. gebruikte zacht polyurethaanschuim met een ontwikkelde poriënstructuur als een geïmmobiliseerde drager om efficiënte koude-tolerante microbiële gemeenschappen te fixeren, gescheiden van actief slib. Nadat dit vulmiddel aan de reactor was toegevoegd, verbeterden de effecten van de behandeling van verontreinigende stoffen aanzienlijk, met een verwijderingspercentage van CZV van 82% en een verwijderingspercentage van het biochemische zuurstofverbruik (BOD) van 92% onder lage-omstandigheden. Chen et al. gebruikte een MBBR-proces met polyvinylalcohol (PVA) gelvuller geïnoculeerd met HN-AD-bacteriën om afvalwater van vee- en pluimveefokkerijen te behandelen in plaats van actief slib. Onder verschillende koolstof-tot-stikstofverhoudingen (C/N) varieerden de prestaties van verschillende dragers aanzienlijk. De poreuze structuur van PVA-gel bood bescherming voor bacteriën, wat resulteerde in stabielere prestaties. Microbiële analyse toonde aan dat het MBBR-proces met PVA-geldragers de groei van autotrofe bacteriën en HN-AD-bacteriën (Paracococcus en Acinetobacter) bevorderde.
3. Procescombinatie en Regulering van MBBR bij lage temperaturen
Dit systeem heeft unieke vereisten voor biofilmvorming op vuloppervlakken, wat het belang van procescombinatie en regelgeving benadrukt. Stabiele nitrificatie in MBBR kan worden bereikt door middel van regulering van procesparameters en verhoudingen; het compenseren van de effecten van lage temperaturen door middel van strengere beperkingen is een relatief directe en effectieve methode.
3.1 Beluchting
Het MBBR-proces wordt momenteel vooral toegepast in aërobe omgevingen. De beluchtingssnelheid en -methode in de reactor beïnvloeden rechtstreeks het gehalte aan opgeloste zuurstof (DO) in het systeem en de kenmerken van de biofilmvorming, waardoor het afbraakniveau van verontreinigende stoffen wordt beïnvloed. Chen Long et al. hebben tijdens de industriële afvalwaterzuivering de problemen bij de vorming van biofilms effectief aangepakt met behulp van maatregelen zoals batchbeluchting, waarbij een CZV-verwijderingspercentage van 95,5% en een ammoniak-stikstofverwijderingspercentage van 91% werden bereikt. Persson et al. gebruikte MBBR om gemengd afvalwater van keukenafval en zwart water te behandelen na anaërobe voorbehandeling bij 10 graden, waarbij volledige nitrificatie werd bereikt door intermitterende beluchting. Bian et al. ontdekte dat het regelen van een constante verhouding tussen DO en de totale ammoniak-stikstofconcentratie de effluenteffecten bij lage temperaturen optimaliseerde; wanneer de controleverhouding de 0,17 niet overschreed, bleef het nitrificatieproces stabiel op 6 graden.
3.2 Koolstof-tot-stikstofverhouding (C/N)
Er is duidelijke concurrentie tussen nitrificerende en heterotrofe bacteriën; daarom wordt C/N-regulering een belangrijke parameter die de balans tussen organische stof en stikstofafbraak in het systeem beïnvloedt. Chen et al. toonde aan dat in MBBR-systemen, wanneer C/N tussen 4 en 15 lag, het CZV-verwijderingspercentage boven de 90% lag. Toen C/N daalde tot 1, daalde het CZV-verwijderingspercentage aanzienlijk. De efficiëntie van de ammoniak-stikstofverwijdering van het systeem nam eerst toe en nam vervolgens af naarmate de C/N daalde. Chen et al. onderzocht de impact van C/N op de prestaties van een A/O-MBBR-reactor die afvalwater uit de maritieme sector behandelt.De resultaten gaven aan dat het verminderen van C/N is gunstig voor verbetering van de efficiëntie van de verwijdering van CZV en ammoniak-stikstof.
3.3 Hydraulische retentietijd
De hydraulische retentietijd (HRT) bepaalt de actieve slibbelasting binnen het reactiesysteem. Een te hoge of te lage HRT kan de behandelingsefficiëntie en de constructie-/operationele kosten van MBBR-systemen beïnvloeden. Het selecteren van een redelijke HRT is cruciaal voor een stabiele werking van het systeem. Van et al. toegepaste MBBR voor bestrijding van verontreiniging door niet--puntbronnen in de landbouw bij lage temperaturen. Uit onderzoek is gebleken dat bij een temperatuur van 5 graden, naarmate de HRT afneemt, de efficiëntie van de verwijdering van verontreinigende stoffen aanzienlijk afneemt, waarbij 8 uur de minimale retentietijd is om de denitrificatie van nitraat tot stikstofgas te garanderen. Wang Chuanxin et al. behandeld huishoudelijk afvalwater met een anoxisch/aëroob biofilmsysteem, waarbij de nadruk ligt op de kenmerken van gelijktijdige nitrificatie en denitrificatie in MBBR bij lage temperaturen. De resultaten toonden aan dat het systeem zich goed aanpaste aan seizoensgebonden temperatuurdalingen door de HRT te verlengen en de CZV- en ammoniak-stikstofconcentraties in het afvalwater te stabiliseren om aan de normen te voldoen. Shitu gebruikte een nieuw sponsvulmiddel als MBBR-biofilmdrager om het waterbehandelingseffect ervan bij verschillende HRT's te bestuderen. De resultaten gaven aan dat de waterbehandelingseffecten het beste waren bij HRT 6 uur. Zhao Wenbin et al. toonde aan dat de optimale HRT voor de verwijdering van verontreinigende stoffen uit afvalwater door MBBR-systemen onder lage-omstandigheden 24 uur was. Han Lei et al. bestudeerde de verwijderingssnelheid van verontreinigende stoffen wanneer de HRT werd verlaagd van 15,4 uur naar 11,0 uur in een gecombineerd DE-oxidatiesloot + MBBR-proces. De resultaten toonden aan dat naarmate de HRT korter werd, de efficiëntie van de verwijdering van verontreinigende stoffen geleidelijk afnam, maar dat de kwaliteit van het afvalwater nog steeds kon voldoen aan de gestelde eisen voor de waterkwaliteit, wat de sterke schokbestendigheid van het MBBR-systeem weerspiegelt.
3.4 Procescombinatie
Deng Rui et al. bestudeerde een twee-fase A/O-MBBR-proces voor de behandeling van gemeentelijk afvalwater. Onder omstandigheden van lage watertemperatuur en lage influentconcentratie vertoonde dit gecombineerde proces een sterke schokbestendigheid en temperatuuraanpassingsvermogen, stabiele werking en gemakkelijke bediening, wat goede toepassingsvooruitzichten bij de afvalwaterzuivering liet zien. Luostarinen et al. bestudeerde de behandelingseffecten van het MBBR-proces op zuivelafvalwater na anaërobe voorbehandeling bij lage temperaturen. De resultaten toonden aan dat het proces 40%–70% CZV, 50%–60% stikstof kon verwijderen, en dat de combinatie van Upflow Anaerobic Sludge Deken (UASB) en MBBR 92% CZV, 99% BZV en 65%–70% stikstof kon verwijderen. Ru Chun et al. gebruikte een aangepast Bardenpho-MBBR + magnetisch neerslagproces om een afvalwaterzuiveringsinstallatie te renoveren. Door de doseringspunten van koolstofbronnen aan te passen en multi{20}}puntinfluent en multi-reflux in het systeem te implementeren, werd een efficiënt gebruik van extern toegevoegde koolstofbronnen bereikt, waardoor nitrificatie- en denitrificatie-effecten bij 8,7 graden werden gegarandeerd, met een stabiele effluentkwaliteit die beter is dan de lozingsnormen.
Conclusie
Onder lage- temperatuuromstandigheden neemt de microbiële activiteit in MBBR-systemen af en is er duidelijke concurrentie tussen heterotrofe micro-organismen die organisch materiaal behandelen en autotrofe micro-organismen die ammoniakstikstof behandelen. Daarom moet, op basis van de samenstelling van de vereisten voor verontreinigende stoffen in het ruwe water en de indicatoren voor afvalwater, geschikte C/N volledig in overweging worden genomen. Maatregelen zoals het verbeteren en acclimatiseren van lage- temperatuurdominante stammen, gerichte verrijking en het vergroten van de overvloed aan dominante populaties op dragers moeten worden geïmplementeerd voor sleutelindicatoren om de kwaliteit van het afvalwater te garanderen.
Verbetering van de drager is een belangrijk middel om de lage-temperatuurtolerantie van MBBR-systemen te verbeteren en de efficiëntie van procesdegradatie te verbeteren. Specifieke maatregelen omvatten vooral magnetische belasting en structurele behandeling van dragers. Magnetische belasting kan de hechting van nitrificerende bacteriën bij lage temperaturen verbeteren, het EPS-uitscheidingsproces versterken en de bacteriële activiteit verbeteren; Het optimaliseren van de dragerstructuur en oppervlakte-eigenschappen kan de efficiëntie van de overdracht van verontreinigende stoffen versnellen, hun vermogen om microbiële gemeenschappen te stollen en te beschermen verbeteren en stabielere systeemprestaties handhaven.
Het MBBR-proces zelf bezit bepaalde weerstandskenmerken bij lage- temperaturen. Door de voortdurend verbeterende kwaliteitsnormen voor afvalwaterzuiveringsinstallaties zijn de aanpassing van de arbeidsomstandigheden en de procescombinatie van MBBR onder lage--temperaturen echter belangrijke onderzoeksinhoud geworden voor procesdoorbraken. Voor verschillende soorten afvalwater moeten optimale arbeidsomstandigheden worden bepaald op basis van feitelijke situaties. Ondertussen kunnen redelijke procescombinaties de schokbelastingsweerstand, het temperatuuraanpassingsvermogen en de systeemstabiliteit van MBBR-systemen ten opzichte van verontreinigende stoffen effectief verbeteren.