Ως έμπειρος πωλητής στη βιομηχανία επεξεργασίας νερού, είμαι ενθουσιασμένος που μοιράζομαι την τεχνολογία του αντιδραστήρα βιοφίλμ (MBBR), μια εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδο επεξεργασίας λυμάτων που είναι γνωστή για τον όγκο χαμηλής ιλύος και την απλή λειτουργία. Σε αυτό το άρθρο, θα εμείς για το γιατί το βιοφίλμ μερικές φορές αποτυγχάνει να διαμορφωθεί στα μέσα MBBR, λαμβάνοντας υπόψη διάφορες πτυχές όπως η αρχή λειτουργίας του συστήματος και οι παράγοντες που επηρεάζουν τον σχηματισμό βιοφίλμ.
Αρχή της διαδικασίας MBBR
Τα μέσα MBBR επιτρέπουν στους μικροοργανισμούς να συνδέονται με την επιφάνεια του φορέα και να σχηματίσουν ένα βιοφίλμ. Όταν τα απόβλητα ρέουν πάνω από την επιφάνεια του φορέα, η οργανική ύλη και το διαλυμένο οξυγόνο στο νερό που διαχέεται στο βιοφίλμ. Οι μικροοργανισμοί μέσα στο βιοφίλμ μεταβολίζουν και αφομοιώνουν την οργανική ύλη παρουσία οξυγόνου. Τα προϊόντα αποσύνθεσης διαχέονται στη συνέχεια στην υδατική φάση και τον αέρα, αποικοδομώντας αποτελεσματικά τους οργανικούς ρύπους στα λύματα.
Σύμφωνα με τον Characklis, το Liu και άλλα, ο σχηματισμός του μικροβιακού μεμβράνης συνήθως περνάει από τέσσερα στάδια: τροποποίηση επιφάνειας φορέα, αναστρέψιμη προσκόλληση, μη αναστρέψιμη προσκόλληση και σχηματισμό βιοφίλμ. Αυτή η διαδικασία μπορεί να χωριστεί σε δύο κύρια στάδια: μικροβιακή προσρόφηση και ανάπτυξη απομόνωσης.
Παράγοντες που επηρεάζουν τον σχηματισμό βιοφίλμ στο MBBR
1.
Το φορτίο επιφάνειας, η τραχύτητα, το μέγεθος των σωματιδίων και η συγκέντρωση του φορέα MBBR επηρεάζουν άμεσα την προσκόλληση και τον σχηματισμό βιοφίλμ. Οι μικροοργανισμοί συνήθως έχουν αρνητικό φορτίο στην επιφάνεια τους υπό κανονικές συνθήκες ανάπτυξης. Μια τραχιά επιφάνεια φορέα διευκολύνει τη βακτηριακή προσκόλληση και την ακινητοποίηση.
♦ Μια μεγαλύτερη επιφάνεια του φορέα αυξάνει την αποτελεσματική περιοχή επαφής μεταξύ των βακτηρίων και του φορέα σε σύγκριση με μια ομαλή επιφάνεια.
♦ Τα τραχιά μέρη της επιφάνειας του φορέα, όπως οι τρύπες και οι ρωγμές, δρουν ως ασπίδα για να προστατεύσουν τα προσκολλημένα βακτήρια από τις υδραυλικές δυνάμεις διάτμησης.
Οι μικρότεροι φορείς μεγέθους σωματιδίων είναι πιο πιθανό να παράγουν βιοφίλμ λόγω της χαμηλής αμοιβαίας τριβής τους και της μεγάλης ειδικής επιφάνειας. Η συγκέντρωση φορέα είναι επίσης ζωτικής σημασίας για τον σχηματισμό βιοφίλμ. Ο Wagner διαπίστωσε ότι σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις μάζας φορέα, ακόμη και με ένα πυκνό βιοφίλμ, δεν μπορούσε να επιτευχθεί σταθερός ρυθμός απομάκρυνσης κατά την αντιμετώπιση των ανθεκτικών λυμάτων. Ωστόσο, σε μια συγκέντρωση φορέα 20-30 G/L, ο αντιδραστήρας θα μπορούσε να επιτύχει ένα σταθερό ρυθμό απομάκρυνσης ακόμη και με μόνο το 20% των φορέων που έχουν λεπτό βιοφίλμ.
2. Ανασταλμένη μικροβιακή συγκέντρωση
Γενικά, καθώς η συγκέντρωση των αιωρούμενων μικροοργανισμών αυξάνεται, η πιθανότητα επαφής μεταξύ μικροοργανισμών και του φορέα αυξάνεται επίσης. Υπάρχει μια κρίσιμη συγκέντρωση μικροοργανισμών κατά τη διάρκεια της μικροβιακής προσκόλλησης. Πριν από αυτή την κρίσιμη τιμή, η μικροβιακή μεταφορά και η διάχυση από την υγρή φάση στην επιφάνεια του φορέα είναι το στάδιο ελέγχου. Μόλις υπερβεί αυτή η τιμή, η μικροβιακή προσκόλληση και η ακινητοποίηση στην επιφάνεια του φορέα περιορίζονται από την αποτελεσματική επιφάνεια του φορέα και δεν εξαρτώνται πλέον από τη συγκέντρωση αιωρούμενων μικροοργανισμών.
3. Δραστηριότητα μικροοργανισμών αιωρούμενων
Η μικροβιακή δραστηριότητα, που περιγράφεται από τον συγκεκριμένο ρυθμό ανάπτυξης (μ), είναι ζωτικής σημασίας όταν μελετάται τα αρχικά στάδια του σχηματισμού βιοφίλμ. Η ποσότητα και ο αρχικός ρυθμός προσκόλλησης και στερέωσης των βακτηρίων νιτροποίησης στην επιφάνεια του φορέα είναι ανάλογες με τη δραστηριότητα των αιωρούμενων βακτηρίων νιτροποίησης.
♦ Όταν η βιολογική δραστηριότητα των αιωρούμενων μικροοργανισμών είναι υψηλή, η ικανότητά τους να εκκρίνουν εξωκυτταρικά πολυμερή είναι επίσης υψηλότερη.
♦ Το επίπεδο ενέργειας στο οποίο ζουν οι μικροοργανισμοί σχετίζονται άμεσα με τον ρυθμό ανάπτυξής τους.
♦ Η δομή της επιφάνειας των μικροοργανισμών ποικίλλει ανάλογα με τη δραστηριότητά τους.
♦ Παράγοντες όπως ο μικροβιακός χρόνος επαφής με τον φορέα, ο υδραυλικός χρόνος κατακράτησης (HRT), η υγρή φάση pH και η υδροδυναμική δύναμη διάτμησης παίζουν επίσης κάποιο ρόλο.
Παράγοντες που επηρεάζουν κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σχηματισμού βιοφίλμ MBBR
1. Για τη διαδικασία σχηματισμού βιοφίλμ
Αυτές οι δυνάμεις συμβάλλουν άμεσα στην αλληλεπίδραση μεταξύ των μικροοργανισμών και της επιφάνειας του φορέα, παίζοντας καθοριστικό ρόλο σε ολόκληρη τη διαδικασία σχηματισμού βιοφίλμ.
2. Επίδραση της υδροφιλικότητας της επιφάνειας του φορέα
Η επιφάνεια του φορέα GPUC περιέχει υδρόφιλες ομάδες όπως ομάδες -OH και αμιδίου. Οι περισσότεροι μικροοργανισμοί έχουν καλή υδροφιλικότητα και η επιφάνεια του φορέα και η επιφάνεια του μικροοργανισμού μπορούν να σχηματίσουν δομές δεσμού υδρογόνου. Η ελεύθερη ενέργεια μιας υδρόφιλης επιφάνειας του φορέα είναι χαμηλότερη από εκείνη ενός υδρόφοβου, καθιστώντας ευκολότερη τους μικροοργανισμούς στο νερό να πλησιάσουν και να προσροφηθούν στην υδρόφιλη επιφάνεια του φορέα για ανάπτυξη.
3. Εφέ της θερμοκρασίας στον σχηματισμό βιοφίλμ
Το κατάλληλο εύρος θερμοκρασίας για αερόβια μικροοργανισμούς είναι 10 ~ 35 βαθμοί. Η θερμοκρασία του νερού επηρεάζει σημαντικά την ανάπτυξη των βακτηρίων νιτροποίησης και του ρυθμού νιτροποίησης. Η βέλτιστη θερμοκρασία ανάπτυξης για τα περισσότερα βακτήρια νιτροποίησης είναι 25 ~ 30 βαθμοί. Όταν η θερμοκρασία είναι κάτω από 25 βαθμούς ή πάνω από 30 μοίρες, η ανάπτυξη των νιτροποιητικών βακτηρίων επιβραδύνεται και κάτω από 10 βαθμούς, η ανάπτυξή τους και η νιτροποίηση τους καθυστερούν σημαντικά.
Οι δοκιμές που διεξήχθησαν σε 10 μοίρες, 20 μοίρες και 35 μοίρες έδειξαν ότι σε 10 βαθμούς ο σχηματισμός βιοφίλμ ξεκίνησε αργά, με αξιοσημείωτη προσκόλληση βιοφίλμ μετά από 7 ημέρες και ωρίμανση μετά από 21 ημέρες, με μέγιστη συνημμένη βιομάζα 2,1 g/L. Σε 35 μοίρες, το βιοφίλμ άρχισε να σχηματίζεται μετά από 4 ημέρες και ωριμάστηκε μετά από περίπου 19 ημέρες, με μέγιστη προσαρτημένη ποσότητα βιοφίλμ 3,5 g/L. Σε 20 βαθμούς, το βιοφίλμ άρχισε να σχηματίζεται μετά από 2 ημέρες και έφτασε σε ένα μέγιστο προσαρτημένο ποσό βιοφίλμ 5,7 g/L μετά από περίπου 10 ημέρες. Είναι προφανές ότι η θερμοκρασία έχει σημαντικό αντίκτυπο στον σχηματισμό βιοφίλμ, με ταχύτερη εκκίνηση μεταξύ 15-30.
Η θερμοκρασία είναι ένας βασικός παράγοντας που επηρεάζει τη βιολογική δραστηριότητα και τη μεταβολική ικανότητα, επηρεάζοντας τη διαδικασία αντίδρασης νιτροποίησης κυρίως μέσω του προτύπου ανάπτυξης και της βιολογικής δραστικότητας των βακτηρίων νιτροποίησης. Επηρεάζει τον ρυθμό βιοχημικής αντίδρασης και τον ρυθμό μεταφοράς οξυγόνου.
4. Η επίδραση της τραχύτητας επιφάνειας και της επιφάνειας του φορέα στην απόδοση της προσκόλλησης βιοφίλμ
Μια μεγάλη συγκεκριμένη επιφάνεια και τραχύτητα ενισχύει την ικανότητα του φορέα να συλλάβει μικροοργανισμούς. Οι μεταφορείς με υψηλή τραχύτητα της επιφάνειας έχουν ισχυρότερη ικανότητα να αναδιανείμει τη ροή του νερού, να μειώσουν τη δύναμη διάτμησης στο βιοφίλμ και να παρέχουν ένα ευνοϊκό περιβάλλον για την ανάμιξη και την επαφή μεταξύ μικροοργανισμών και υποστρώματος. Η τραχιά επιφάνεια έχει ένα παχύτερο στρώμα οριακού ορίου από μια ομαλή επιφάνεια, προσφέροντας ένα καλό στατικό υδροδυναμικό περιβάλλον και αποφεύγοντας τις δυσμενείς επιδράσεις της διατμητικής ροής νερού στην ανάπτυξη των προσαρτημένων μικροοργανισμών.