Progressi della ricerca sul funzionamento dei processi e sull'applicazione di MBBR Sistemi a Basse Temperature
Panoramica
Il processo Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) è una delle tecnologie di trattamento delle acque reflue a biofilm attualmente ampiamente utilizzate. Rispetto ai processi convenzionali a fanghi attivi, MBBR offre vantaggi come un'efficace qualità dell'effluente, una forte resistenza ai carichi d'urto e l'assenza della necessità di ritorno dei fanghi o controlavaggio. Durante il periodo di bassa-temperatura invernale, soprattutto nelle regioni settentrionali e negli altipiani sudoccidentali, la temperatura dell'aria può facilmente scendere sotto i 5 gradi e la temperatura dell'acqua può scendere sotto i 15 gradi. Le basse temperature possono portare alla non-conformità degli indicatori degli effluenti come la domanda chimica di ossigeno (COD), l'azoto ammoniacale e l'azoto totale nei sistemi MBBR. La rimozione dell’azoto dal biofilm comprende la nitrificazione aerobica e la denitrificazione anossica e la temperatura è uno dei fattori chiave che influenzano questi processi. Al diminuire della temperatura, il tasso di nitrificazione dei batteri nei sistemi a fanghi attivi diminuisce gradualmente, con una riduzione significativa della capacità di nitrificazione quando le temperature scendono al di sotto degli 8 gradi. Questo articolo approfondisce sistematicamente il funzionamento dei processi MBBR in condizioni di bassa-temperatura da aspetti quali comunità microbiche, tecnologie di potenziamento dei portatori e combinazioni e manipolazioni di processi, fornendo riferimenti per ulteriori ricerche e applicazioni.
1. Ricerca sulle comunità microbiche nei sistemi MBBR a bassa{{1}temperatura
Attualmente, il processo principale negli impianti di trattamento delle acque reflue è il trattamento biologico.Le basse temperature invernali (inferiori o uguali a 15 gradi) inibiscono l'attività dei batteri nitrificanti nei bioreattori, influenzando il processo di nitrificazione e limitando la capacità di rimozione dell'azoto del sistema. I batteri nitrificanti sono autotrofi con cicli di generazione lunghi e sono sensibili ai cambiamenti di temperatura, con un intervallo di temperatura di crescita ottimale di 20–35 gradi.
1.1 Attività microbica
I biofilm nei reattori MBBR crescono attaccati alle superfici del vettore, supportando la crescita di microrganismi con lunghi cicli di generazione, aumentando così il contenuto di batteri nitrificanti nel sistema. Rispetto ai processi a fanghi attivi, l'MBBR presenta prestazioni di nitrificazione più elevate alle basse temperature, il che lo rende ampiamente utilizzato nel trattamento delle acque reflue a bassa-temperatura. La bassa temperatura è uno dei fattori ambientali importanti che influenzano le prestazioni di nitrificazione di questo reattore. La riduzione della temperatura porta a una diminuzione della fluidità della membrana cellulare e della catalisi enzimatica, a una riduzione del trasporto di materiale e dei tassi metabolici, influenzando così la stabilità delle strutture secondarie degli acidi nucleici e inibendo la replicazione del DNA, la trascrizione dell'mRNA e la traduzione. Quando le temperature scendono al di sotto del punto di congelamento citoplasmatico, all’interno delle cellule si formano cristalli di ghiaccio che causano gravi danni strutturali. Studi di Qiu Tian et al. lo ha dimostratole attività di ossidazione dell'ammoniaca e dei nitriti del biofilm MBBR a 10 gradi erano rispettivamente il 55% e il 56% di quelle a 20 gradi. Zheng Zhijia et al. testato i tassi di nitrificazione dei fanghi attiviun impianto di trattamento delle acque reflue in estate (20 gradi) e in inverno (8 gradi), rilevando che il tasso di nitrificazione dell'azoto ammoniacale a 8 gradi era il 48,5% di quello a 20 gradi. L’impatto della bassa temperatura sulla capacità di nitrificazione dei serbatoi biochimici comprende due aspetti: in primo luogo, la bassa temperatura influenza l’attività delle comunità di batteri nitrificanti e, in secondo luogo, le basse temperature prolungate riducono la popolazione di batteri nitrificanti nei fanghi attivi.
1.2 Concorrenza nella comunità microbica
Poiché i batteri nitrificanti sono autotrofi, altre comunità microbiche hanno un impatto significativo sul processo di nitrificazione e competono fortemente con i batteri nitrificanti. Houweling et al. hanno condotto esperimenti sul processo MBBR, dimostrando che a 4 gradi, MBBR ha un certo potenziale di nitrificazione, ma la crescita eccessiva di microrganismi eterotrofi all'interno del sistema ha ridotto in una certa misura il tasso di nitrificazione. Shao Shuhai et al. ha indicato che l'effetto di rimozione dell'azoto dell'MBBR a stadio singolo- non è ideale a causa della competizione tra batteri nitrificanti ed eterotrofi. Han Wenjie et al. hanno studiato i cambiamenti della comunità microbica e i modelli di distribuzione biologica in un impianto di trattamento delle acque reflue utilizzando processi ibridi MBBR durante le stagioni a bassa-temperatura, scoprendo che il numero di specie microbiche nei biofilm di trasporto sospesi era inferiore a quello nei fanghi attivi dello stesso sistema, con una distribuzione delle specie non uniforme. L'aggiunta di trasportatori sospesi ha migliorato la diversità microbica nel sistema, mentre le modalità influenti e operative avevano una certa selettività sulla composizione della comunità microbica. Wu Han et al. trattamento simulato delle acque reflue domestiche utilizzando tre reattori MBBR batch sequenziali con diversi tipi di riempitivi. Riducendo gradualmente le temperature (25, 20, 15, 10, 6 e 5 gradi) per coltivare e acclimatare i biofilm per le acque reflue a bassa-temperatura, hanno scoperto che nei tre reattori predominavano diversi microrganismi. I risultati del sequenziamento ad alta-produttività hanno mostrato che a 5 gradi , i microrganismi che degradavano la materia organica erano predominanti in tutti e tre i reattori; un reattore ha acclimatato e arricchito con successo i batteri nitrificanti psicrofili, mentre gli altri due presentavano una maggiore abbondanza di batteri fissatori dell'azoto-sfavorevoli alla rimozione dell'azoto.
1.3 Acclimatazione dei microrganismi psicrofili
La tecnologia di miglioramento dell'acclimatazione e dell'arricchimento per le comunità microbiche dominanti-a bassa temperaturaè un metodo efficace per migliorare l'efficienza operativa e la stabilità dell'MBBR in condizioni di bassa-temperatura. Attraverso l'induzione progressiva e la coltivazione ottimizzata, le popolazioni dominanti vengono selezionate e applicate, utilizzando la forte tolleranza delle comunità microbiche per ridurre l'impatto delle basse temperature, offrendo un potenziale di stabilità a lungo-termine. Wang Dan et al. ha scoperto che in condizioni invernali di bassa-temperatura, l'aggiunta di fanghi attivi contenenti comunità microbiche-tolleranti al freddo per ottenere un bioreattore ibrido simbiotico-a biofilm a fanghi attivi offriva vantaggi come avvio rapido, rapida formazione di biofilm ed effetti stabili del trattamento. Delatolla et al. ha scoperto che la decarbonizzazione del sistema a 1 grado aumentava la biomassa attiva nitrificante, ispessiva il biofilm, aumentava effettivamente il numero di cellule vitali durante il funzionamento a bassa-temperatura e migliorava le prestazioni di nitrificazione del sistema. Inoltre, NO, N₂H₄, NH₂OH, ecc., sono intermedi chiave che stimolano il processo di ossidazione anaerobica dell'ammonio (anammox) e alleviano l'inibizione dei batteri anammox da parte di NO₂. Zekker et al., in uno studio sul trattamento di acque reflue ad alta-concentrazione (concentrazione di azoto ammoniacale 740 mg/l) con un sistema MBBR, hanno scoperto che l'aggiunta di NO accelerava significativamente il processo anammox e l'abbondanza di batteri ossidanti l'ammoniaca-aumentava proporzionalmente durante il funzionamento del sistema.
2. Ricerca sulle tecnologie di potenziamento del vettore per MBBR a basse temperature
La scelta dei riempitivi MBBR sospesi è una delle tecnologie principali di questo processo di trattamento delle acque reflue e un fattore chiave che influisce sull'efficienza del processo e sui costi di ingegneria. I tipi di riempitivi comunemente utilizzati includono riempitivi a nido d'ape, riempitivi semi-morbidi e riempitivi compositi, tra gli altri. Le applicazioni pratiche possono incontrare problemi come l'intasamento del riempitivo, l'agglomerazione e l'invecchiamento. In condizioni di bassa-temperatura, la formazione di biofilm sui riempitivi MBBR è più lenta, prolungando potenzialmente i periodi di avvio delle apparecchiature, ostacolando il normale funzionamento del processo, con conseguente scarsa resistenza ai carichi d'urto e mancato raggiungimento degli effetti di trattamento attesi. I supporti sospesi MBBR utilizzati a livello industriale variano in dimensioni e forma e sono realizzati con polimeri ad alto peso molecolare come polietilene ad alta-densità (HDPE), polietilene (PE) o polipropilene (PP) attraverso metodi come l'estrusione della fusione o la granulazione. Con l'applicazione ingegneristica su larga scala-di questo processo, la varietà degli operatori commerciali è gradualmente aumentata. La progettazione e l'elaborazione del carrier possono essere adattate alla qualità dell'acqua e alle caratteristiche della crescita microbica, consentendo l'ottimizzazione e il miglioramento mirati per potenziare i sistemi di biofilm MBBR in condizioni di bassa-temperatura. Nelle applicazioni pratiche, le modifiche del trasportatore si concentrano principalmente sul miglioramento dell'area superficiale specifica, dell'idrofilia, della bio-affinità, delle proprietà magnetiche, ecc., per migliorare il trasferimento di massa del trasportatore, la formazione di biofilm e le prestazioni di trattamento delle acque reflue.
2.1 Caricamento magnetico
La ricerca attuale ha esplorato l'utilizzo dei campi magnetici per ottimizzare la capacità di trattamento delle acque reflue di MBBR a basse temperature.Campi magnetici di certa intensità possono migliorare la rimozione degli inquinanti nei processi di trattamento biologico. In presenza di campi magnetici deboli, gli inquinanti organici si arricchiscono sulla superficie dei trasportatori biologici magnetici attraverso l'aggregazione e l'adsorbimento magnetici, aiutati dalle forze magnetiche, dalle forze di Lorentz e dagli effetti magneto-colloidali. Entro un intervallo di intensità appropriato, i campi magnetici possono migliorare l’utilizzo dell’ossigeno microbico, potenziare il metabolismo della crescita microbica e l’attività enzimatica e aumentare la permeabilità della membrana cellulare. Jing Shuangyi et al. ha studiato gli effetti comparativi dell'aggiunta di vettori magnetici [polietilene, polvere magnetica di neodimio ferro boro (Nd₂Fe₁₄B) e poliquaternio-10 (PQAS-10), ecc.] rispetto ai vettori commerciali nei reattori MBBR. I risultati hanno mostrato che in condizioni di bassa-temperatura, i trasportatori magnetici miglioravano significativamente l'attività di nitrificazione del biofilm, promuovevano la secrezione di sostanza polimerica extracellulare (EPS) e mantenevano e miglioravano la morfologia e la struttura del biofilm. I portatori magnetici hanno arricchito più generi di batteri nitrificanti, con abbondanze relative di batteri ossidanti l’ammoniaca e batteri ossidanti i nitriti aumentate rispettivamente di 1,82 volte e 1,05 volte rispetto ai vettori commerciali, e hanno acclimatato e arricchito due generi unici di batteri nitrificanti.
2.2 Modifica del vettore
Oltre al caricamento magnetico, anche la modifica dell'affinità dei materiali di supporto tradizionali come il polietilene è un modo importante per migliorare le prestazioni di formazione del biofilm riempitivo. Sun Bo et al. ha utilizzato nuovi nanoriempitivi sospesi per trattare le acque reflue domestiche-a bassa temperatura. A 10-12 gradi, il periodo di formazione del biofilm per i nano riempitivi è stato inferiore a 18 giorni, più breve rispetto ad altri riempitivi, con un tasso di rimozione del COD del sistema stabile intorno al 75%, dimostrando un buon valore promozionale. Ren Yanqiang et al. ha utilizzato riempitivi sospesi a nido d'ape realizzati con materiali in lega polimerica altamente idrofila per trattare gli effluenti dalla vasca di sedimentazione primaria di un impianto di trattamento delle acque reflue in condizioni di bassa-temperatura. I risultati hanno indicato che questi riempitivi sospesi hanno migliorato efficacemente la capacità di attaccamento dei microrganismi tensioattivi-attivi, contribuendo a potenziare gli effetti del trattamento del processo MBBR. Han Xiaoyun et al. ha utilizzato schiuma di poliuretano morbida con una struttura porosa sviluppata come vettore immobilizzato per fissare efficienti comunità microbiche resistenti al freddo-separate dai fanghi attivi. Dopo aver aggiunto questo riempitivo al reattore, gli effetti del trattamento degli inquinanti sono migliorati in modo significativo, con un tasso di rimozione del COD dell'82% e un tasso di rimozione della domanda biochimica di ossigeno (BOD) del 92% in condizioni di bassa-temperatura. Chen et al. ha utilizzato un processo MBBR con riempitivo in gel di alcool polivinilico (PVA) inoculato con batteri HN-AD per trattare le acque reflue dell'allevamento di bestiame e pollame invece dei fanghi attivi. Con diversi rapporti carbonio-a-azoto (C/N), le prestazioni dei diversi vettori variavano in modo significativo. La struttura porosa del gel PVA ha fornito protezione ai batteri, garantendo prestazioni più stabili. L'analisi microbica ha mostrato che il processo MBBR con supporti in gel PVA ha favorito la crescita di batteri autotrofi e batteri HN-AD (Paracoccus e Acinetobacter).
3. Combinazione di processi e Regolazione dell'MBBR alle basse temperature
Questo sistema presenta requisiti unici per la formazione di biofilm sulle superfici dei riempitivi, evidenziando l'importanza della combinazione e della regolamentazione del processo. La nitrificazione stabile nell'MBBR può essere ottenuta attraverso la regolazione dei parametri e dei rapporti di processo; compensare gli effetti delle basse temperature attraverso vincoli più severi è un metodo relativamente diretto ed efficace.
3.1 Aerazione
Il processo MBBR è attualmente applicato principalmente in ambienti aerobici. La velocità di aerazione e il metodo nel reattore influiscono direttamente sul contenuto di ossigeno disciolto (DO) nel sistema e sulle caratteristiche della formazione del biofilm, influenzando così il livello di degradazione degli inquinanti. Chen Long et al., durante il trattamento delle acque reflue industriali, hanno affrontato in modo efficace le difficoltà nella formazione del biofilm utilizzando misure come l'aerazione in batch, ottenendo un tasso di rimozione del COD del 95,5% e un tasso di rimozione dell'azoto ammoniacale del 91%. Persson et al. ha utilizzato MBBR per trattare le acque reflue miste di rifiuti di cucina e acque nere dopo pretrattamento anaerobico a 10 gradi, ottenendo una nitrificazione completa attraverso l'aerazione intermittente. Bian et al. hanno scoperto che il controllo di un rapporto costante tra DO e la concentrazione totale di azoto ammoniacale ottimizzava gli effetti degli effluenti a basse temperature; quando il rapporto di controllo non superava 0,17, il processo di nitrificazione rimaneva stabile a 6 gradi.
3.2 Rapporto carbonio-a-azoto (C/N)
Esiste un'evidente competizione tra batteri nitrificanti ed eterotrofi; pertanto, la regolazione del C/N diventa un parametro importante che influenza l'equilibrio tra la materia organica e la degradazione dell'azoto nel sistema. Chen et al. ha dimostrato che nei sistemi MBBR, quando il rapporto C/N era compreso tra 4 e 15, il tasso di rimozione del COD era superiore al 90%. Quando il C/N è sceso a 1, il tasso di rimozione del COD è diminuito in modo significativo. L'efficienza di rimozione dell'azoto ammoniacale del sistema è prima aumentata e poi diminuita con la riduzione del C/N. Chen et al. ha esplorato l'impatto del C/N sulle prestazioni di un reattore A/O-MBBR che tratta le acque reflue della maricoltura.I risultati hanno indicato che la riduzione del C/N È vantaggioso per migliorare l’efficienza di rimozione del COD e dell’azoto ammoniacale.
3.3 Tempo di ritenzione idraulica
Il tempo di ritenzione idraulica (HRT) determina il carico di fanghi attivi all'interno del sistema di reazione. Una HRT troppo alta o troppo bassa può influire sull’efficienza del trattamento e sui costi di costruzione/operativi dei sistemi MBBR. La selezione di una terapia ormonale sostitutiva ragionevole è fondamentale per il funzionamento stabile del sistema. Van et al. MBBR applicato per il controllo dell'inquinamento agricolo da fonti non-puntuali a basse temperature. La ricerca ha dimostrato che a 5 gradi, con la diminuzione della terapia ormonale sostitutiva, l'efficienza di rimozione degli inquinanti diminuisce significativamente, con 8 ore che rappresentano il tempo di ritenzione minimo per garantire la denitrificazione dei nitrati in azoto gassoso. Wang Chuanxin et al. acque reflue domestiche trattate con un sistema a biofilm anossico/aerobico, concentrandosi sulle caratteristiche di nitrificazione e denitrificazione simultanea in MBBR a basse temperature. I risultati hanno mostrato che il sistema si è adattato bene ai cali di temperatura stagionali estendendo la HRT, stabilizzando il COD dell'effluente e le concentrazioni di azoto ammoniacale per soddisfare gli standard. Shitu ha utilizzato un nuovo riempitivo in spugna come vettore del biofilm MBBR per studiarne l'effetto sul trattamento dell'acqua in diverse HRT. I risultati hanno indicato che gli effetti del trattamento dell’acqua erano migliori con una HRT di 6 ore. Zhao Wenbin et al. ha dimostrato che la HRT ottimale per la rimozione degli inquinanti nelle acque reflue mediante sistemi MBBR in condizioni di bassa-temperatura era di 24 ore. Han Lei et al. hanno studiato il tasso di rimozione degli inquinanti quando la HRT è stata ridotta da 15,4 ore a 11,0 ore in un processo combinato DE con fossa di ossidazione + MBBR. I risultati hanno mostrato che con la riduzione della terapia ormonale, l’efficienza di rimozione degli inquinanti è gradualmente diminuita, ma la qualità degli effluenti potrebbe comunque soddisfare i requisiti target di qualità dell’acqua, riflettendo la forte resistenza ai carichi d’urto del sistema MBBR.
3.4 Combinazione di processi
Deng Rui et al. ha studiato un processo MBBR a due-stadi A/O-per il trattamento delle acque reflue municipali. In condizioni di bassa temperatura dell’acqua e bassa concentrazione di affluenti, questo processo combinato ha dimostrato una forte resistenza ai carichi d’urto e adattabilità alla temperatura, un funzionamento stabile e un funzionamento conveniente, mostrando buone prospettive di applicazione nel trattamento delle acque reflue. Luostarinen et al. hanno studiato gli effetti del trattamento del processo MBBR sulle acque reflue casearie dopo pretrattamento anaerobico a basse temperature. I risultati hanno mostrato che il processo potrebbe rimuovere il 40%–70% di COD, 50%–60% di azoto e la combinazione di Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) e MBBR potrebbe rimuovere il 92% di COD, 99% di BOD e 65%–70% di azoto. Ru Chun et al. ha utilizzato un processo di precipitazione a carico magnetico Bardenpho-MBBR modificato per rinnovare un impianto di trattamento delle acque reflue. Regolando i punti di dosaggio della fonte di carbonio e implementando l'afflusso multipunto e il riflusso multipunto nel sistema, è stato ottenuto un utilizzo efficiente delle fonti di carbonio aggiunte esternamente, garantendo effetti di nitrificazione e denitrificazione a 8,7 gradi, con una qualità stabile dell'effluente migliore rispetto agli standard di scarico.
Conclusione
In condizioni di bassa-temperatura, l'attività microbica nei sistemi MBBR diminuisce ed è evidente la competizione tra i microrganismi eterotrofi che trattano la materia organica e i microrganismi autotrofi che trattano l'azoto ammoniacale. Pertanto, in base alla composizione degli inquinanti delle acque non depurate e ai requisiti degli indicatori degli effluenti, si dovrebbe prendere pienamente in considerazione un adeguato C/N. Misure come il miglioramento e l'acclimatazione dei ceppi dominanti a bassa-temperatura, l'arricchimento mirato e l'aumento dell'abbondanza delle popolazioni dominanti sui vettori dovrebbero essere implementate per gli indicatori chiave volti a garantire la qualità degli effluenti.
Il potenziamento del carrier è un mezzo importante per migliorare la tolleranza alle basse-temperature dei sistemi MBBR e migliorare l'efficienza del degrado del processo. Le misure specifiche comprendono principalmente il carico magnetico e il trattamento strutturale dei vettori. Il caricamento magnetico può migliorare l'attaccamento dei batteri nitrificanti a basse temperature, rafforzare il processo di secrezione dell'EPS e migliorare l'attività batterica; l'ottimizzazione della struttura del vettore e delle proprietà superficiali può accelerare l'efficienza del trasferimento di massa degli inquinanti, migliorare la loro capacità di solidificare e proteggere le comunità microbiche e mantenere prestazioni del sistema più stabili.
Il processo MBBR stesso possiede alcune caratteristiche di resistenza alle basse-temperature. Tuttavia, con il continuo miglioramento degli standard di qualità degli effluenti per gli impianti di trattamento delle acque reflue, l'adeguamento delle condizioni di lavoro e la combinazione di processi di MBBR in condizioni di bassa-temperatura sono diventati importanti contenuti di ricerca per la svolta del processo. Per diversi tipi di acque reflue, le condizioni ottimali delle condizioni di lavoro dovrebbero essere determinate in base alle situazioni reali. Nel frattempo, combinazioni di processi ragionevoli possono migliorare efficacemente la resistenza ai carichi d’urto, l’adattabilità della temperatura e la stabilità del sistema dei sistemi MBBR nei confronti degli inquinanti.